嫦娥五號(hào)月球上照片（網(wǎng)絡(luò)照片）

月球礦產(chǎn)資源勘查進(jìn)展及展望

高楠^1,2，許英奎^1,3*，羅泰義⁴，凌宗成⁵，朱丹^3,4，李陽^1,3，李雄耀^1,3，劉建忠^1,3*

1 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)

3 中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心

4 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

5 山東大學(xué)(威海)空間科學(xué)與物理學(xué)院

第一作者：高楠，碩士研究生，地球化學(xué)專業(yè).

通訊作者：許英奎，劉建忠

導(dǎo)讀：月球很神秘，月球上有哪些礦產(chǎn)資源？基于月球返回約382kg樣品以及目前為止回收的412塊月球隕石的研究，已獲得了月球基本的物質(zhì)組成信息，有3類可用資源（金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)和氣體）和5種可勘查礦床類型（鈦鐵礦型、斜長(zhǎng)巖型、磷酸鹽型、月壤型、水冰型）。目前，國(guó)家已開始資助科學(xué)家研究月球礦產(chǎn)勘查思路，本文作者參考現(xiàn)行固體礦產(chǎn)勘查規(guī)范提出了勘查設(shè)想。

月球礦產(chǎn)勘查既要考慮月球上特殊礦種，還要考慮往返月球高昂的成本，需要利用遙感等技術(shù)方法開展預(yù)查階段工作十分重要。如何完善月球礦產(chǎn)勘查設(shè)想和勘查階段劃分，請(qǐng)讀者進(jìn)一步思考。

（注：本文屬于中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目(編號(hào):XDB41000000；XDB18000000)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃(編號(hào):QYZDY-SSW-DQC028)、廣西科技基地與人才建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào)：AD1850007)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目成果）

內(nèi)容提綱

0 引言

1 月球礦產(chǎn)資源開發(fā)的需求

1.1 月球基地建設(shè)和預(yù)期功能

1.2 月球基地的礦產(chǎn)需求

1.3 月球基地的經(jīng)濟(jì)效益需求

1.4 人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求

2 潛在的月球資源

2.1 月球資源的科學(xué)探測(cè)現(xiàn)狀分析

2.2 月球主要地質(zhì)作用及成礦過程

2.3 月球可利用資源的種類

2.4 月球原位資源利用的可行性

3 月球礦產(chǎn)資源勘查

3.1 月球礦產(chǎn)資源勘查的必要性

3.2 月球礦產(chǎn)資源勘查方法和技術(shù)

3.3 月球可勘查礦產(chǎn)種類劃分

4 結(jié)語

0 引言

迄今為止，人類所有的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都依賴于地球的物質(zhì)和能源，而地球資源多為不可再生資源。長(zhǎng)久以來，人類認(rèn)識(shí)到只有空間探索才能從實(shí)質(zhì)上帶給人類無限的外部能源和原材料。月球是距離地球最近的天體，是人類進(jìn)行空間資源利用的重要目標(biāo)。在過去20年月球遙感探測(cè)以及前蘇聯(lián)Luna計(jì)劃和美國(guó)Apollo計(jì)劃所獲得的月球樣品研究基礎(chǔ)上，前人按照空間位置初步定義了3種月球資源：1）利用月球物質(zhì)促進(jìn)月球探測(cè)的原位資源利用（ISRU）；2）利用月球物質(zhì)促進(jìn)包括地球軌道在內(nèi)的地月空間系統(tǒng)的探測(cè)活動(dòng)，并支撐未來太陽系內(nèi)深空探測(cè)活動(dòng)；3）將月球物質(zhì)輸送至地球以促進(jìn)地球的可持續(xù)發(fā)展的資源。這3種可能的月球資源代表著應(yīng)用難度依次增加的層次結(jié)構(gòu)，也代表了可能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間順序。短期內(nèi)月球的資源利用以原位資源利用為主。

Apollo探月時(shí)代的主要科學(xué)目標(biāo)是認(rèn)識(shí)月球，新時(shí)代月球探測(cè)工程將月球資源綜合利用作為最重要的科學(xué)目標(biāo)，是月球探測(cè)工程任務(wù)的時(shí)代需求。根據(jù)1979年聯(lián)合國(guó)大會(huì)通過的《關(guān)于各國(guó)在月球和其它天體上活動(dòng)的協(xié)定》（即《月球公約》），月球資源屬于全人類，但遵循先到先得的原則，可見搶先發(fā)現(xiàn)和占有最具開采價(jià)值的優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源，是屬于“開疆拓土”性質(zhì)的戰(zhàn)略性工作，因此，資源勘查工作是新時(shí)代月球探測(cè)工程任務(wù)的重中之重。2015年美國(guó)制定了《2015外太空資源探索與利用法》，規(guī)定“誰先勘探，誰先擁有”的外太空資源商業(yè)開發(fā)原則。2016年歐洲航天局公布了建造“月球村”的太空計(jì)劃，將從月球獲得天然資源視為首要任務(wù)。2018年，美國(guó)總統(tǒng)DonaldJohnTrump宣布美國(guó)將于2028年重返月球并建立月球基地。2019年3月，美國(guó)副總統(tǒng)MikePence宣布要在2024年登月。2020年4月6日，美國(guó)總統(tǒng)簽署第13914號(hào)總統(tǒng)行政令，即《關(guān)于鼓勵(lì)國(guó)際支持太空資源的獲取和使用》，鼓勵(lì)美國(guó)公民在月球或其他星球從事商業(yè)活動(dòng)，并認(rèn)為外太空資源并不是全球共有資源。因此，在太空資源領(lǐng)域“先到先得”的國(guó)際規(guī)則下，開展月球礦產(chǎn)資源勘查和利用是一項(xiàng)亟需盡早展開的“國(guó)家行動(dòng)”。

由于太空資源勘查和開發(fā)領(lǐng)域尚處萌芽期，前人的工作主要集中在礦產(chǎn)定義和分類、有用元素賦存礦物、水冰等特殊類型礦產(chǎn)等少量科學(xué)研究上，實(shí)質(zhì)性的礦產(chǎn)勘查工作尚未開展。考慮到月球礦產(chǎn)的特殊性，其礦產(chǎn)種類、勘查方法、開采手段等均與地球有較大的區(qū)別，因此，有必要開展系統(tǒng)梳理和研究。本文從月球礦產(chǎn)開發(fā)需求、潛在的月球資源、主要勘查方法等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，按照月球各類礦產(chǎn)的可勘查屬性將其分為鈦鐵礦型、斜長(zhǎng)巖型、磷酸鹽型、月壤型、水冰型等5種類型，并對(duì)人類未來進(jìn)行的載人登月和人機(jī)結(jié)合開展礦產(chǎn)勘查等活動(dòng)提供初步參考依據(jù)。

1 月球礦產(chǎn)資源開發(fā)的需求

1.1 月球基地建設(shè)和預(yù)期功能

國(guó)外月球探測(cè)的現(xiàn)狀和規(guī)劃一般將月球探測(cè)分為月球環(huán)繞、無人登陸、載人登陸和月球基地4個(gè)階段。4個(gè)階段與我國(guó)嫦娥工程的“探月”“登月”和“駐月”的總體思路相吻合。月球基地在登月和駐月階段有重要作用，能為宇航員提供生命保障必需的“消耗品”和居住地，在實(shí)現(xiàn)自給自足的基礎(chǔ)上，開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)，是人類長(zhǎng)期駐留月球并拓展生存空間的前哨站。前人已經(jīng)對(duì)月球基地功能和構(gòu)建開展了系列研究。預(yù)期的月球基地主要包括生活區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)、生產(chǎn)區(qū)等（圖1）。

圖1 月球基地運(yùn)行功能愿景圖

基地功能涵蓋：1）生產(chǎn)基地運(yùn)行所需的能源、材料和生命保障物質(zhì)；2）能源和物質(zhì)循環(huán)利用；3）規(guī)劃月球基地運(yùn)行并決策，制定月球資源利用的實(shí)施方案；4）開展月球礦產(chǎn)資源勘查，為后續(xù)月球基地的可持續(xù)發(fā)展提供保障。因此，月球基地的建設(shè)和運(yùn)行都離不開就地資源的開采和利用。

1.2 月球基地的礦產(chǎn)需求

從月球基地的建設(shè)、正常運(yùn)行和宇航員生存的基本需求出發(fā)，月球基地所需資源包括宇航員生命保障“消耗品”、基地建設(shè)和生產(chǎn)材料、基地運(yùn)行能源等3種類型。

宇航員生命保障“消耗品”：水和氧氣是人類生存必需的“消耗品”。通過月球資源原位利用，制備水和氧氣，可減少對(duì)地球運(yùn)送物資的依賴，保證月球基地生命支持系統(tǒng)更加穩(wěn)固。月球上H₂O和0₂提取的方法主要有以下5種：

1）可直接利用太陽能將月壤加熱至適當(dāng)溫度（如800℃），提取氫元素，進(jìn)而與鈦鐵礦反應(yīng)生成水；2）月球極區(qū)永久陰影區(qū)可能賦存水冰，可以作為月球水資源的候選者；3）氫氣還原月壤生產(chǎn)氧氣；4）月壤碳熱還原反應(yīng)生產(chǎn)氧氣；5）電解月壤的熔融氧化物生產(chǎn)氧氣。

基地建設(shè)和生產(chǎn)材料：由于月球沒有大氣層，長(zhǎng)期遭受太陽風(fēng)粒子、宇宙射線和微隕石的轟擊，需要建筑物來保護(hù)宇航員和月球基地設(shè)備，也需要建立發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行深空拓展。目前適用于月球基地的建筑材料主要有金屬（如Fe、Ti、Al等）、陶瓷和玻璃。金屬的提取方法主要通過電解熔融巖漿巖提取Fe、Ti、Al等。陶瓷和玻璃主要通過燒結(jié)月壤或熔融玄武巖產(chǎn)生，還伴有一些耐高溫的副產(chǎn)品。月壤顆粒中值粒徑為40〜130um，經(jīng)過簡(jiǎn)單篩選可以直接用于3D打印，制造部分建筑基材。

基地運(yùn)行能源：月球基地運(yùn)行需要大量能源，月球主要能源包括太陽能、核能和化學(xué)燃料。月表可利用太陽能光伏發(fā)電，供應(yīng)各種電解反應(yīng)、移動(dòng)設(shè)備和照明設(shè)備。另外，月壤含有來自太陽風(fēng)的氣體元素，如H和He。通過加熱月壤可提取太陽風(fēng)揮發(fā)分并提純出³He和母。其中，³He作為一種清潔、高效的核聚變?cè)�料，除了作為月球基地的能源供�?yīng)，還可以返回地球。此外，月球的KREEP巖含有可觀的U和Th，也可作為核能的原料。推進(jìn)劑是火箭和基地挖掘、運(yùn)輸?shù)纫苿?dòng)設(shè)備的動(dòng)力來源，使用最多的是液態(tài)氫和液態(tài)氧，可通過電解月壤中提取的水收集H₂和0₂，再進(jìn)一步加工制成。碳?xì)浠�合物燃料（如CH₄）也可以作為推進(jìn)劑和燃料電池，主要通過分解宇航員產(chǎn)生的生活垃圾和月壤的碳熱還原反應(yīng)產(chǎn)生CH₄，為著陸器、儲(chǔ)存器和移動(dòng)電源系統(tǒng)提供能源。

1.3 月球基地的經(jīng)濟(jì)效益需求

宇航員生命保障物質(zhì)、基地建設(shè)材料所需要的大量物資和能源等如果完全從地球獲取，勢(shì)必需要長(zhǎng)期且頻繁的地月空間的航天運(yùn)輸支持。但航天運(yùn)輸非常昂貴，以地月空間為例，運(yùn)輸成本約為50000〜90000美元/kg。若實(shí)現(xiàn)月球資源的原位利用，則可大幅減少地月運(yùn)輸頻次和重量，有效降低月球基地初期建設(shè)和長(zhǎng)期維持的經(jīng)濟(jì)成本。另外，值得注意的是，月球上太陽輻照條件優(yōu)于地球。由于月球幾乎沒有大氣，每年到達(dá)月球的太陽光輻射能量高達(dá)1.2x10¹³kW，加上月球上不存在建筑物的限制，方便大面積鋪設(shè)太陽能電池板儲(chǔ)存太陽能。通過對(duì)太陽能、³He等優(yōu)勢(shì)能源的開發(fā)利用，可以節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

1.4 人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求

目前人類使用的最主要的能源是不可再生的化石能源（煤、石油、天然氣）。隨著人口增加、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和生活水平的不斷提高，人們對(duì)能源的需求也會(huì)不斷增長(zhǎng)，這意味著能源損耗會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)下人類已面臨著嚴(yán)重的能源危機(jī)，要保持人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，就必須徹底解決能源問題，而解決途徑便包括新能源的利用。

月球具有獨(dú)特的地質(zhì)演化和空間環(huán)境特征，這意味著月球具有不同于地球的資源和能源，如月壤富集太陽風(fēng)注入的³He。³He作為未來清潔、高效、安全的核聚變發(fā)電燃料，具有巨大的能源潛力，但地球³He儲(chǔ)量很有限。因此有不少學(xué)者提出，若將月球所特有的資源和能源轉(zhuǎn)運(yùn)至地球，對(duì)于解決人類能源危機(jī)，推動(dòng)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

2 潛在的月球資源

2.1 月球資源的科學(xué)探測(cè)現(xiàn)狀分析

自上世紀(jì)六七十年代以來，月球探測(cè)任務(wù)集中于科學(xué)研究，主要以樣品分析、無人遙感和就位探測(cè)為主。

在樣品分析方面，基于月球返回約382kg樣品以及目前為止回收的412塊月球隕石（據(jù)Meteoritical Bulletin Database）的研究，已獲得月球基本的物質(zhì)組成信息。月球物質(zhì)中含有地球上發(fā)現(xiàn)的所有元素，而月球卻表現(xiàn)出獨(dú)特的資源特征（表1），很多地球上的重要礦產(chǎn)資源，如Cu、Ag、Cl、B等資源在月球上非常稀缺，但在未來礦產(chǎn)勘查中可能會(huì)找到以上元素的高度富集體。月球礦產(chǎn)資源主要賦存于高地斜長(zhǎng)巖、月海玄武巖、火山碎屑巖、月壤及其組成礦物中，包括斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石中的Na、K、Sr、Ba，橄欖石中的Mg及輝石中的Mn、Cr等有用元素。一些磷酸鹽礦物中富集的稀土元素和鹵族元素（如隕磷鈣鈉石中w（Ce₂O₃）達(dá)4%，磷灰石中w（F）和w（Cl）約3%〜4%），火山碎屑巖所富集的S、Ag、Cd、Zn及Br等元素。月壤的物質(zhì)成分和其下伏巖石成分基本類似，但其富集太陽風(fēng)長(zhǎng)期作用所注入的He及其他惰性氣體元素，還有C、H及N元素。

表1 月球可利用資源種類及其利用途徑

在遙感和原位探測(cè)方面，目前對(duì)月球硅酸鹽礦物（主要為斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石、尖晶石）及其中主量元素（主要為Fe、Ti等元素）的勘查主要依賴成像光譜數(shù)據(jù)。探測(cè)結(jié)果顯示，月海玄武巖富含輝石和橄欖石，其中橄欖石含量可超過20%；高地斜長(zhǎng)巖富含斜長(zhǎng)石，一般高于50%，甚至局部還有斜長(zhǎng)石含量達(dá)95%〜99%的高純度斜長(zhǎng)巖發(fā)現(xiàn)。對(duì)主量元素的探測(cè)結(jié)果顯示，月海玄武巖中富鐵，F(xiàn)eO含量可超過20%，主要存在于鈦鐵礦中的鈦元素含量變化范圍很大，TiO₂豐度可超過14%；高地斜長(zhǎng)巖相對(duì)貧鐵，F(xiàn)eO豐度一般低于10%。其他金屬礦產(chǎn)資源的勘查主要依賴于伽馬射線譜儀、中子譜儀及X射線譜儀遙感探測(cè)。根據(jù)這些探測(cè)結(jié)果，目前已經(jīng)獲得了月表主要元素的全月分布圖，包括Al、Si、Ca、U、K和Th等；基于“嫦娥一號(hào)”微波輻射計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制了全月³He含量分布圖；月球極區(qū)水冰資源勘查方面，基于中子譜儀H元素?cái)?shù)據(jù)，繪制了月球南北極區(qū)的水冰豐度圖（圖2），發(fā)現(xiàn)局部地區(qū)水冰物質(zhì)的豐度可達(dá)0.5%左右。

圖2 月球極區(qū)水冰物質(zhì)含量分布圖（左：北極，右：南極）

綜上所述，目前對(duì)月球資源的科學(xué)探測(cè)獲得了豐富的成果，但尚未聚焦于資源勘查和利用。高精度和綜合月球資源勘查將是新一輪載人月球探測(cè)的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.2 月球主要地質(zhì)作用及成礦過程

作為距離地球最近的天體，月球是探測(cè)程度最高的地外天體，基于對(duì)大量月球樣品、遙感探測(cè)數(shù)據(jù)的分析，形成了對(duì)月球起源和演化歷史的基本認(rèn)識(shí)。根據(jù)“大碰撞”理論，月球形成于一次早期撞擊事件。撞擊形成的月球早期發(fā)生核幔分異，并出現(xiàn)全球性的巖漿洋，巖漿洋冷卻結(jié)晶形成以斜長(zhǎng)巖成分為主的月殼，鎂鐵質(zhì)礦物組成的月幔，殼幔之間為富集鉀（K）、稀土元素（REE）、磷（P）等不相容元素的原始克里普巖（urKREEP）。目前共確認(rèn)了4套非月海原巖石類型：斜長(zhǎng)巖套（AN）、鎂質(zhì)巖套（MAN）、堿性巖套和KREEP巖。月殼形成后，月球南極一艾肯盆地、雨海、東海等大型盆地的形成及后續(xù)的月海玄武巖的充填，塑造了現(xiàn)今月球表面的大尺度地形特征。

月球的巖漿活動(dòng)是重要成礦過程，4套非月海原巖石是巖漿洋冷卻過程中形成的。其中斜長(zhǎng)巖中的Al和Si，KREEP巖中的REE、U、Th、K、P是重要的礦產(chǎn)勘查和利用對(duì)象，而月海玄武巖中的鈦鐵礦、鉻鐵礦等是金屬元素Fe、Ti、Cr等元素富集的礦物，是月球可利用資源勘探中的重要目標(biāo)礦物。火山碎屑巖是月球火山噴發(fā)活動(dòng)的產(chǎn)物，其富含火山玻璃等礦產(chǎn)資源。另外，月球表面廣泛覆蓋著由撞擊作用和太空風(fēng)化作用形成的月壤，一般厚度為5〜10m，主要由礦物和巖石碎屑、熔融玻璃、粘結(jié)集塊巖組成，富集源于太陽風(fēng)的H、³He、C、N和隕石中的Ni等元素。

2.3 月球可利用資源的種類

據(jù)目前月球探測(cè)成果及對(duì)月球樣品的分析，結(jié)合月球基地建設(shè)的能源和資源需求，月球上可利用資源主要分為以下3類：金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)和氣體等。其中，金屬礦產(chǎn)主要包括黑色金屬（Fe、Ti、Mn、Cr、Ni），稀有/分散金屬（K、Th、U、Ce及其它REE）及有色金屬（Al、Zn）；非金屬礦產(chǎn)主要為Si和P；有用氣體元素主要包括H、³He、C和N。表1列出了各種元素的賦存巖石、主要賦存礦物、品位和用途。

2.4 月球原位資源利用的可行性

通過上述對(duì)月球潛在的、可利用的礦產(chǎn)資源需求、種類及儲(chǔ)量的分析，我們認(rèn)為月球礦產(chǎn)資源具有較大的開采價(jià)值，可以滿足原位資源利用需求。原位資源利用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)月球等天體可利用資源的勘查、提取，以供應(yīng)空間站和月球基地等中長(zhǎng)期任務(wù)的長(zhǎng)期運(yùn)行。原位資源利用技術(shù)包括4個(gè)部分：1）對(duì)目的地勘測(cè)、勘探和測(cè)繪，以確定可利用資源；2）原始資源的采集和預(yù)處理，以獲取資源；3）將原始資源轉(zhuǎn)化為推進(jìn)劑、能源、生命保障等消耗品；4）制造產(chǎn)品并安裝基地原位資源利用設(shè)施。一般說來，與將地球生產(chǎn)材料或生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)輸至太空或月球進(jìn)行利用相比，月球原位資源利用將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)際上原位資源利用的概念提出較早。自上世紀(jì)80年代以來，月球和行星科學(xué)家提出了眾多制備水、氧氣、氫氣的概念性方案。以氧氣制備為例，從月壤中的金屬礦物和非金屬氧化物中提取氧的概念性方案超過20種，其中部分開展了縮比驗(yàn)證試驗(yàn)。尤其美國(guó)NASA開展了許多利用火山灰、鈦鐵礦等制備0₂、H₂和H₂O等的技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。在2008年設(shè)計(jì)了第一臺(tái)可演示ISRU樣機(jī)，進(jìn)行了月壤開采、H₂O和0₂制備、資源儲(chǔ)存等功能驗(yàn)證。美國(guó)NASA的空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)建立了月球表面創(chuàng)新計(jì)劃（LSII），首要目標(biāo)是發(fā)展原位資源利用技術(shù)，將圍繞利用月球資源生產(chǎn)水、燃料和其他物質(zhì)的技術(shù)展開。另外，美國(guó)NASA和歐洲ESA還聯(lián)合研發(fā)了原位資源利用設(shè)備一氧氣制備和原位利用實(shí)驗(yàn)裝置（Mars Oxygen ISRU Experiment，MOXIE），該設(shè)備搭載美國(guó)“毅力"號(hào)火星車首次在行星探測(cè)任務(wù)中開展了資源原位利用的實(shí)驗(yàn)，于2021年4月利用電化學(xué)方法成功將火星大氣中的部分二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣。因此，月球原位資源利用已經(jīng)具備了良好的基礎(chǔ)和可行性，有望在未來月球探測(cè)和基地運(yùn)行中實(shí)施。

3 月球礦產(chǎn)資源勘查

3.1 月球礦產(chǎn)資源勘查的必要性

月球礦產(chǎn)資源勘查的必要性體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

1）礦產(chǎn)資源勘查是月球資源利用的前提。在地球上，礦產(chǎn)資源開發(fā)和利用之前要進(jìn)行詳細(xì)的勘查，以確定礦產(chǎn)資源種類、分布以及儲(chǔ)量，評(píng)估開采是否具備經(jīng)濟(jì)效益。目前為止尚未對(duì)月球開展資源的勘查工作，因此要開發(fā)和利用月球資源，礦產(chǎn)資源勘查是首要任務(wù)。

2）礦產(chǎn)資源勘查是月球基地建設(shè)與運(yùn)行的重要保障。月球基地的建設(shè)和運(yùn)行都需要大量的能源和資源。由于地月運(yùn)輸成本極高，需要開展原位資源利用，滿足基地建設(shè)和運(yùn)行需求。為保障基地建設(shè)和運(yùn)行的合理、經(jīng)濟(jì)和高效，實(shí)現(xiàn)月球原位資源有效利用，需進(jìn)行精細(xì)的月球礦產(chǎn)資源勘查。

3）高精度的勘查技術(shù)能夠保證載人階段月球礦產(chǎn)資源勘查的順利實(shí)施。已有的月球探測(cè)以軌道遙感探測(cè)為主，與月表物質(zhì)成分相關(guān)的軌道探測(cè)光譜數(shù)據(jù)、能譜數(shù)據(jù)偏少且空間分辨率較低（可見光-近紅外光譜數(shù)據(jù)一般百米級(jí)，熱紅外光譜一般低于500m，伽馬譜一般低于15km）。這些數(shù)據(jù)僅能滿足科學(xué)研究方面的基本需求，距離月球資源的勘查、開發(fā)和利用還有很大的差距。根據(jù)地球礦產(chǎn)資源的勘查經(jīng)驗(yàn)，除大尺度的礦產(chǎn)資源遙感探測(cè)外，異常區(qū)的原位高精度物化探技術(shù)是現(xiàn)代地球資源勘探的基本手段，因此研發(fā)適用于月球環(huán)境的高精度物化探技術(shù)具備良好的技術(shù)儲(chǔ)備。在載人探月過程中，宇航員攜帶所研發(fā)的手持或車載小型化礦產(chǎn)資源勘查設(shè)備進(jìn)行月面定點(diǎn)或布站式勘查，可保證載人階段月球礦產(chǎn)資源勘查的順利實(shí)施。

3.2 月球礦產(chǎn)資源勘查方法和技術(shù)

月面礦產(chǎn)資源勘查技術(shù)需要借鑒現(xiàn)有的地球資源勘測(cè)技術(shù)和方法，充分吸收和集成已有的月球無人探測(cè)和樣品研究成果經(jīng)驗(yàn)，明確月球可勘查礦產(chǎn)種類，梳理月球礦產(chǎn)資源勘查流程，提出勘查技術(shù)需求并聚焦攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

月球礦產(chǎn)資源勘查的方法首先需要考慮月球成礦過程的特殊性。由于月球缺乏水和風(fēng)的搬運(yùn)改造，月壤的礦物組成可以反映原位基巖的信息；撞擊作用可挖掘月球深部巖石，撞擊坑濺射物和巖石露頭可以用于解譯深部巖石的剖面信息。因此，根據(jù)月球主要礦物如鈦鐵礦、磷灰石等的物性參數(shù)，結(jié)合月面礦物填圖和月壤化探確定月面異常，最后通過物探手段解譯深部異常，是月球礦產(chǎn)資源勘查的基本手段。

在地球的地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查中，我國(guó)已經(jīng)建立了《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查規(guī)范總則》(2016版、2020版)和不同類型、不同礦種的一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。借鑒地球標(biāo)準(zhǔn)（2016版），結(jié)合月球礦產(chǎn)勘探的特殊性，月球上可利用資源勘查的基本思路是：1）通過對(duì)已有月球地質(zhì)研究、能譜數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的綜合分析，優(yōu)選預(yù)查區(qū)；2）通過逐漸加強(qiáng)的地質(zhì)學(xué)和綜合的物探、化探工作，不斷約束礦床成因、礦體產(chǎn)狀及礦床規(guī)模（預(yù)測(cè)的、推斷的、控制的和探明的儲(chǔ)量）、礦石選冶特征和綜合利用性能、礦山開采的工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題；3）根據(jù)實(shí)時(shí)航天成本、礦產(chǎn)勘探開采成本和礦產(chǎn)品價(jià)格進(jìn)行核算，評(píng)估相應(yīng)礦產(chǎn)開采的經(jīng)濟(jì)可行性。

為了進(jìn)一步明確月球礦產(chǎn)資源的勘查方法和相關(guān)技術(shù)，有必要梳理出一套關(guān)于月球礦產(chǎn)資源勘查的概念化流程。參照地球礦產(chǎn)資源勘查流程（2016版），大致包括預(yù)查、普查、詳查和勘探4個(gè)階段（圖3）。

圖3 月球礦產(chǎn)資源勘查概念化流程

預(yù)查：預(yù)查活動(dòng)分為2個(gè)階段：1）優(yōu)選預(yù)查區(qū)：對(duì)研究區(qū)域內(nèi)地理、地質(zhì)、物探和化探等各種資料進(jìn)行綜合調(diào)研，以獲得研究區(qū)巖石單元和巖石類型、構(gòu)造單元和構(gòu)造特征、礦化異常單元及礦化特征的初步認(rèn)識(shí)，逐步編制較大比例尺的區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)預(yù)測(cè)圖，對(duì)礦化異常進(jìn)行分級(jí)；2）實(shí)地異常查證：以資源開發(fā)利用為目的的月球探測(cè)活動(dòng)是礦產(chǎn)勘查開始的標(biāo)志，宇航員借助攻關(guān)研制的手持和車載小型化勘查設(shè)備進(jìn)行月面定點(diǎn)或布站式勘查，對(duì)異常進(jìn)行分級(jí)驗(yàn)證，估算科研資源量，為開展普查工作提供依據(jù)。

普查：對(duì)預(yù)查確定的礦化異常開展地質(zhì)填圖和露頭檢查，大致查明成礦地質(zhì)條件。對(duì)礦化體進(jìn)行有效的物探和化探及數(shù)量有限的取樣工程，大致控制主要礦體特征，大致查明礦石的選冶性能。依據(jù)普查所獲得的地質(zhì)礦產(chǎn)資料進(jìn)行概略研究，研究是否值得轉(zhuǎn)入詳查，為詳查工作提供依據(jù)。

詳查：基本查明成礦地質(zhì)條件，開展系統(tǒng)的取樣工程和物探、化探工作，控制礦體的總體分布范圍。基本查明礦石的物質(zhì)組成、礦石質(zhì)量，對(duì)礦石的加工選冶性能進(jìn)行試驗(yàn)和研究，基本查明礦床的開采技術(shù)條件，選擇合適的方法估算相應(yīng)類型的資源量，為是否進(jìn)行勘探?jīng)Q策提供依據(jù)。

勘探：在詳查基礎(chǔ)上加密各種取樣工程及相應(yīng)的工作，詳細(xì)查明礦石物質(zhì)組成、賦存狀態(tài)、礦石類型、質(zhì)量及其分布規(guī)律，詳細(xì)查明影響礦床開采的主要工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題。采集具有代表性的礦石類型樣品，進(jìn)行加工選冶性能試驗(yàn)；詳細(xì)估算相應(yīng)類型的資源量，為礦山初步設(shè)計(jì)和礦山建設(shè)提供依據(jù)。

3.3 月球可勘查礦產(chǎn)種類劃分

根據(jù)己有科學(xué)探測(cè)結(jié)果和資料，月球礦產(chǎn)資源主要賦存在玄武巖、斜長(zhǎng)巖、KREEP巖和月壤中。玄武巖含鈦鐵礦，富集Fe、Ti元素，主要分布于月球正面，厚度一般不超過2km；斜長(zhǎng)巖中主要礦物為斜長(zhǎng)石，富含Al和Si元素，主要分布在高地地區(qū)，厚度約30〜40km；KREEP巖含磷灰石，富集K、P、U、Th、REE元素，分布于月球正面的風(fēng)暴洋區(qū)域，厚度約為20km。月壤覆蓋于月球表面，富含來自太陽風(fēng)的H、³He、C、N和隕石中的Ni等元素，中值粒徑40〜130um，月壤厚度5〜10m。

根據(jù)月球可利用資源（表1）的主要賦存礦物特征及成礦機(jī)理，考慮月球礦產(chǎn)的可勘查性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，建議將月球可勘查礦產(chǎn)劃分為：1）鈦鐵礦型：主要賦存于月海高鈦玄武巖中（w（TiO₂）平均11%左右），伴生鉻鐵礦，主要利用元素為Ti-Fe-O，共（伴）生Cr-He-H；2）磷酸鹽型：主要賦存于KREEP巖中（w（P₂O₅）平均0.7%左右），伴生鉀長(zhǎng)石（w（K₂O）平均0.7%左右），主要利用元素為P-K，共生REE-Th-U-F-Cl；3）斜長(zhǎng)巖型：主要賦存于高地斜長(zhǎng)巖中（斜長(zhǎng)石可富集到90%〜95%左右，平均含Al₂O₃ 34%、SiO₂ 45%、CaO 20%），主要利用元素為Si-Al-Ca，該類型礦床基本不需要分選富集；4）月壤型：月壤是早期月球基地建設(shè)的重要利用對(duì)象，可利用元素基本涵蓋上面3種類型，優(yōu)勢(shì)是基本不需要開采和粉碎。預(yù)期月海高鈦玄武巖區(qū)、KREEP巖區(qū)和高地斜長(zhǎng)巖區(qū)的月壤相對(duì)富集上述3種礦物；5）水冰型：月球極區(qū)永久陰影區(qū)富含水冰的月壤型礦床，主要利用資源是水，該類型礦床不需要分選富集。

4 結(jié)語

目前，國(guó)際太空資源探測(cè)與研究領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)激烈，美國(guó)和歐洲處于領(lǐng)先位置。我國(guó)嫦娥系列工程正在順利實(shí)施，己取得一系列重要成果。嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)國(guó)際首次月球背面軟著陸和中繼星信息傳遞，1:250萬全月球數(shù)字地質(zhì)圖順利完成并入選中國(guó)科學(xué)院“十八大”以來的創(chuàng)新成果展；嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次月球無人采樣返回。同時(shí)，我國(guó)的“行星科學(xué)”一級(jí)學(xué)科正在建設(shè)之中，“太空資源學(xué)”也被列為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域之一。未來5〜15年將成為月球資源勘查利用領(lǐng)域的黃金發(fā)展時(shí)期。月球礦產(chǎn)資源勘查是實(shí)現(xiàn)月球礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的前提，為人類月球基地建設(shè)和人類移居月球奠定重要基礎(chǔ)。在當(dāng)前的形勢(shì)下，秉著“先到先得”的原則，開展月球礦產(chǎn)資源勘查和利用已成為我國(guó)刻不容緩的任務(wù)。規(guī)范的月球礦產(chǎn)資源勘查流程有利于人類未來高效、準(zhǔn)確、有針對(duì)性的開采和利用月球資源，同時(shí)可保障月球基地建設(shè)和運(yùn)行的合理、經(jīng)濟(jì)和高效。

來源：礦物學(xué)報(bào)。2022年4月，第42卷第2期

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