月球土壤

月球土壤（lunar soil）指覆盖在月球基岩之上的包括月面岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃物质在内的所有月表风化物质。^[3][1][2]

为了对月球土壤成分进行系统性的研究，自1966年起，苏联、美国两国持续性地向月球发射月球探测器。通过探测器采集到的大量月球土壤样本，科学家们对月球土壤进行了全面的实验分析。中国发射的首个无人月面取样返回月球探测器嫦娥五号于2020年12月1日23时11分在月球着陆，并带回了1.73kg月球土壤。^[4][5][6][7]2024年6月，中国嫦娥六号探测器成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地预选着陆区，实现了人类探测器首次在月球背面实施的样品采集任务，并成功采集了1935.3克月背的月球样品。^[8][9][10]

月球土壤由岩石碎片、单矿物碎片、凝集颗粒等各种颗粒组成，富含丰富的矿物颗粒、铜矿颗粒、硫化金、锑矿颗粒、铢、碘化铑、辉铝矿及镉、锌、铁、锰和硫结合而成的硫镉矿。月球土壤中含有高含量的水资源及以氦-3（³He）为代表的气体资源。^{[11][5][7][12]}月球土壤物质主要来源于伏基岩及其周围区域，它是陨石及微陨石撞击、太阳风及宇宙射线持续作用和昼夜极大温差变化导致的岩石热胀冷缩破裂所共同作用于月球表面而形成的土壤类型。月球土壤的形成与演化主要受粉碎和胶结两大作用的影响。月球土壤的厚度与月球表面年龄、块体运动、撞击作用、当地基岩结构强度及该地区与大型撞击盆地间的距离有关。月球土壤粒度分布很广，颗粒直径以小于1mm为主，绝大部分颗粒粒径在30μm至1mm之间。月球土壤导热系数极低，土壤温度呈现白天高、晚上低的特点。月球土壤有极低的电导率和损耗率，使月球物质极易长时间保持带电。为了研究月球土壤的成熟性^[注1]，专家们一般采用平均粒径指标、Is/FeO比值、及粘合集块岩含量等指标来对其进行测量。^{[2][13][2][14][3][15]}

1966年2月3日，苏联发射的旨在验证在月球上实施软着陆可能性、对月球土壤面进行拍摄观测的“月球”9号（俄语：Луна-9）探测器在月球风暴洋地区着陆，着陆坐标为西经60.37°，北纬7.13°。因观测设备距月面较远，“月球”9号拍摄的全景图可以判断着陆地区表层的岩石分布，却不能用以分析月球土壤表层的粒度组成。^[16][14]

1970年9月12日，苏联发射了“月球”16号（俄语：Луна-16）探测器，该探测器搭载2个全景光学-机械式相机。同年9月24日，“月球车”16号携带从东经56.18°、南纬0.41°采集到的月球土壤样本返回地球。在对样本进行显微镜观察后，科学家们将月球土壤颗粒分为两类，分别为月球熔融岩浆冷却后形成的由长石、辉石、钛铁矿等粗粒成分组成的早期玄武质岩浆岩颗粒和由太阳风、宇宙射线、陨石及微陨石不断撞击形成的颗粒。同年11月17日，苏联发射的世界首辆自主巡视探测器“月球车”1号在雨海西部着陆，着陆坐标为西经35°、北纬38.17°。该探测器对月球车所经过的500多个轨迹点处的月球土壤进行了物理力学探测，采用同位素X射线荧光分析法对部分月球土壤样本进行了化学分析。^[16][14]

1972年2月21日，旨在利用月球土壤采样装置从施工困难的山地采集月球土壤样本的“月球”20号（俄语：Луна 20）自主月球探测器在东经56.33°、北纬3.32°处着陆。“月球”20号采集了大量洛格里特样本及月球土壤样本。1973年1月16日，“月球”21号自主月球探测器在勒蒙尼耶撞击坑内软着陆，将“月球车”2号送上了月球表面。宇航员们测量了勒蒙尼耶撞击坑坑唇及“海洋-大陆”一带的月球土壤的力学特征及化学成分，并驾驶“月球车”2号对月球表面进行全景立体的拍摄。^[17]

1966年6月2日，美国自主月球探测器“勘察者”1号在月球南纬2.7°、西经43.13°的风暴洋软着陆。着陆后的6周里，“勘察者”1号共向地球传回了11150张素质上乘的月面照片。美国发射的“勘察者”3号于1967年4月20日在南纬2.56°、西经23.20°地区软着陆，共传回6300张月面照片，并使用月面取样装置采集了岩石样品，并对所采集的样品进行了化验。化验结果显示，月球土壤由一些细粒粘合而成。美国发射了“勘察者”5号于1967年9月11日于在位于北纬1.25°、东经22.5°的月球静海北部地区软着陆。“勘察者”5号携带可以分析探测月壤化学成分的α散射辐射计。研究显示，月球上含有丰富的硅、氧、铁、硫、铝、钴及少量的镁、碳等物质。^[14][18]

1967年11月10日，旨在研判“阿波罗”（Apollo ）系列飞船着陆舱着陆可能性、对月壤成分进行拍摄及放射化学分析的美国“勘察者”6号自主月球探测器在西经1.37°、北纬0.51°软着陆。“勘察者”6号对深度在1cm至2cm的月壤沟槽进行了拍摄研究。研究结果显示月壤由细粒、弱连接、掺杂着碎石和大块岩石的月壤，表面顶层的承载力为1kPa，月壤颗粒粒度小于1.0mm。1968年1月10日，美国“勘察者”7号于西经11.45°、南纬40.88°的静撞击坑的坑唇上着陆。“勘察者”7号采集了月壤样本，随后用α辐射计对样本的化学成分进行了研究。研究结果显示月壤的密实度随着深度的增加而增加。^[14]

1971年2月5日，“阿波罗”14号着陆舱在西经17.27°、南纬3.40°着陆，宇航员们使用管状不锈钢取土器采集了月壤样本。研究显示，样本具有层状结构，并由2mm至12mm的单个颗粒组成。此外，宇航员还使用针入度测定仪测定了月壤表层的物理力学参数。同年7月31日，旨在挑选月壤表层样本、检验月球越野车在月行驶性能的“阿波罗”15号宇宙飞船在腐沼区进行研究。宇航员在海谷及哈德利沟两处区域分别采集了13块洛格里特样本及18块月壤样本。1972年4月21日，”阿波罗“16号在东经15.5°、南纬9.0°处着陆，采集了大量的月壤和月岩样本。同年12月11日，“阿波罗”17号宇宙飞船在东经30.45°、北纬20.10°着陆，采集了总量为113kg的月壤样本。^[14][17]

2007年10月24日，搭载嫦娥一号的长征三号甲运载火箭成功发射，嫦娥一号成为中国首颗探月卫星。^[19]中国嫦娥二号绕月人造卫星于2010年10月1日发射成功。该人造卫星对月壤进行了探测，数据显示，月壤的厚度预计为4米至6米，中纬度地区的月壤厚度约为7.6米。2013年12月2日发射的嫦娥三号“玉兔号”巡视器的测月雷达对月球表面以下的土壤进行了测量，并给出了月球表面10米至140米深度的次表层土壤图像。2018年12月8日，嫦娥四号成功发射。嫦娥四号探测器使用数值模拟的方法对着陆点表面月壤进行了研究，并利用触月端铲式装置首次在月球表面开展了月壤温度的自动测量。由中国国家航天局组织实施研制的旨在突破窄窗口多轨道装订发射技术、月面自动采样与封装技术、月球样品储存等关键技术、实现中国首次地外天体自动采样返回、完善探月工程体系的中国首个无人月面取样返回月球探测器嫦娥五号（英文：Chang'e-5）于2020年12月1日23时11分在西经51.8°、北纬43.1°着陆，成功带回1.73kg月壤。^{[4][5][6][7][20]}

在完成了太阳翼及定向天线展开等状态的检查与设置工作后，嫦娥五号采用表钻结合，多点采样的方式，通过机械臂表取及钻具钻取两种自动采样方式采集月球样品。其中，钻具钻取了月面下的月壤样品，机械臂则在末端采样器支持下，在月表开展多种采样。12月2日22时，嫦娥五号探测器顺利完成了月表采样工作，将样品封装保存在贮存装置中。采样封装过程中，科研人员根据嫦娥五号探测器传回的数据在地面实验室中仿真模拟采样区的地理模型并全程模拟采样。^[21][22]

2024年6月，嫦娥六号任务探测器成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地预选着陆区，开启人类探测器首次在月球背面实施的样品采集任务。^[8]6月4日，携带月球样品的嫦娥六号上升器自月球背面起飞，随后成功进入预定环月轨道，完成世界首次月球背面采样和起飞。^[23]6月25日，嫦娥六号返回器准确着陆于内蒙古四子王旗预定区域，探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功。^[24]

嫦娥六号任务自发射后历经53天，11个飞行阶段，突破了月球逆行轨道设计与控制、月背智能快速采样、月背起飞上升等关键技术，首次获取了1935.3克月背的月球样品。^[9][10][25]作为人类首份月背样品，嫦娥六号采集的月球样品在科学上具有独特意义，将进一步增进人类对月球演化的认知，加快人类和平探索利用月球资源的脚步。嫦娥六号任务总设计师胡浩在发布会上透露：“我们在采样过程中就感觉，月球背面和正面的月壤不太一样。正面的月壤比较细腻、松散，背面的状态似乎不太一样。”^[26][27]

2024年7月23日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员陈小龙、副研究员金士锋、博士研究生郝木难等，联合北京科技大学副教授郭中楠、天津大学工程师殷博昊、中国科学院青海盐湖研究所研究员马云麒、郑州大学工程师邓丽君等，在嫦娥五号带回的月球样本中，发现了月球上一种富含水分子和铵的未知矿物晶体——ULM-1。这标志着科学家首次在月壤中发现了分子水，揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。之后，该研究成果会在学术期刊《自然-天文学》（Nature Astronomy）在线发表。^[28]

2024年8月，中国嫦娥五号月壤研究又有新发现—中国科学院宁波材料所、中国科学院物理所等单位组成的科研团队，经过3年的深入研究和反复验证，发现了一种全新的利用月壤大量生产水的方法，有望为未来月球科研站及空间站的建设提供重要设计依据。科研人员发现，月壤矿物由于太阳风亿万年的辐照，储存了大量氢。在加热至高温后，氢将与矿物中的铁氧化物发生氧化还原反应，生成单质铁和大量水。当温度升高至1000℃以上时，月壤将会熔化，反应生成的水将以水蒸气的方式释放出来。经过多种实验技术分析，研究团队确认，1克月壤中大约可以产生51-76毫克水。以此计算，1吨月壤可以产生约51-76千克水，相当于100多瓶500毫升的瓶装水，基本可以满足50人一天的饮水量。科研团队通过对不同月球矿物的进一步研究，还发现月壤钛铁矿加热后，可以同步生成大量单质铁和水蒸气气泡，是名副其实的月球“蓄水池”。^[29]

2024年9月1日，在2024年《开学第一课》上，华中科技大学丁烈云院士展示了模拟月壤做出的月壤砖样品，并表示它们可能是未来在月球上建房子的材料。此外，月壤砖已计划搭乘天舟八号前往中国空间站，在太空中完成暴露试验。^[30][31][32]9月6日，《自然》刊发中国科研团队对嫦娥五号月壤研究的成果，月球地质生命再一次“延长”，在1.2亿年前，月球仍存在火山活动。^[33]

2024年9月17日，中国科学院国家天文台李春来、中国探月与航天工程中心胡浩、北京控制工程研究所杨孟飞领导的联合研究团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上发表嫦娥六号返回样品的首篇研究论文，阐述了返回样品的物理、矿物和地球化学特征。论文中指出了嫦娥六号返回样品具有较低密度，表明其结构较为松散，孔隙率较高。颗粒分析显示，月壤的粒径呈现双峰式分布，暗示样品可能经历了不同物源的混合作用。与嫦娥五号样品相比，此次样品中斜长石含量明显增加，而橄榄石含量显著减少，表明该区域的月壤明显受到了非玄武质物质的影响。此外，嫦娥六号采集的岩屑碎片主要由玄武岩、角砾岩、粘结岩、浅色岩石和玻璃质物质组成。其中，玄武岩碎片占总量的30%~40%，其矿物以辉石、斜长石和钛铁矿为主，橄榄石含量极低。角砾岩和粘结岩由玄武岩碎屑、玻璃珠、玻璃碎片以及少量的斜长岩和苏长岩等浅色岩石碎屑物质构成，进一步揭示了样品来源的复杂性。^[34]

2024年10月15日，在国务院新闻办公室举行的国家空间科学中长期发展规划新闻发布会上，国家航天局系统工程司司长杨小宇介绍，嫦娥五号从月球带回1731克的月壤样品，是人类获得迄今为止最年轻的月球样品。^[35]

天文物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）提出尘埃覆盖层假说，他指出月海平原由尘埃填充组成，尘埃填充层的厚度最高可达数千米。他认为，月球土壤表面遭到的陨石撞击引起了尘埃堆积和破碎岩石的出现。^[14]

基于尘埃覆盖层假说，托马斯·戈尔德、哈普克、范霍恩等学者提出了松散粘性土假说。他们认为在真空条件下尘埃粒子表面没有氧化膜，所以需要考虑尘埃粒子接触处的粘性。他们指出，月球土壤结构松散，受上层月壤重力及陨石频繁撞击的影响，月球土壤越往深处越密实。^[14][20]

科学家们发现陨石撞击过程中产生了大量5米至20米大小不等的岩石碎块、石渣、石尘组成的大块碎屑物质层。科学家们认为，这种物质层在撞击坑坑唇附近的厚度为10米至100米，在撞击坑之间区域的厚度为1m。在这种情况下，科学家们认为月壤表层松散、非固结的物质结构源于陨石频繁撞击。^[14][20]

在月球表面完全没有发生物质破碎的情况下，陨石频繁撞击月球会使陨石物质不断沉积并形成物质层，该物质层的增幅为每109年增厚1cm。^[14][20]

月球土壤物质主要来源于伏基岩及其周围区域，它是陨石及微陨石撞击、太阳风及宇宙射线持续作用和昼夜极大温差导致岩石热胀冷缩破裂共同作用于月球表面而形成的土壤类型。其中，陨石和微陨石撞击在月壤的形成过程中起主导作用，并对月球土壤的样状产生显著影响。大块陨石撞击导致月表岩石及部分月壤胶结，形成角砾岩；中等以上强度的陨石撞击形成撞击坑，将原有的月壤翻起，使其暴露在月球表面接受宇宙射线、太阳风的作用；微陨石撞击导致月壤松散表层物质的熔化和熔合。陨石及微陨石撞击通过粉碎、汽化、分馏、陨石物质的混入改变月球土壤的物质组成。在陨石及微陨石撞击的作用下，月球土壤的形成与演化受粉碎和胶结两大作用的影响。其中粉碎作用缩减月壤平均粒径，胶结作用将矿物和岩石碎片焊接在一起，从而扩大月壤平均粒径。月壤的粉碎和胶结作用改变着月壤的物理和光学特性，这就是所谓的太空风化。此外，火山熔岩喷射后冷却形成的沉积物也被认为是暗地幔沉积物（DMD）在月球周围的起源。^[14][2][36]

研究显示，月壤厚度与月球表面年龄、块体运动、撞击作用、当地基岩的结构强度及该地区与大型撞击盆地间的距离有关。研究发现，月壤厚度最大的地区通常与大型撞击盆地的溅射物堆积有关，高地月壤厚度普遍大于月海月壤厚度。此外，月壤厚度随着月球表面年龄的增加而增大。乌克兰学者Shkuratov和Bondarenko利用阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）70cm波长地基雷达对月球正面进行了观测，并结合红外光谱数据反演得到的月球正面铁、钛丰度图得到了首张月球正面月壤厚度分布图。阿波罗探测器成功登陆后，科学家们利用月震分析和撞击坑形貌分析得到了阿波罗登月点及其他一些地区的月壤厚度信息。^[2][15]

据中国嫦娥二号绕月人造卫星的探测数据显示，月壤的厚度预计为4米至6米，中纬度地区的月壤厚度约为7.6米。嫦娥三号“玉兔号”巡视器的测月雷达对月球表面以下的土壤进行了测量，并给出了月球表面10米至140米深度的次表层土壤图像。科学家们根据嫦娥三号着陆点探测所获取的信息外推出月球外表面是由溅射物、岩石和土壤组成的深度约为5米的月壤。^[37]

月壤颗粒的主要成分包括以橄榄石、斜长石、单斜辉石、钛铁矿为代表的矿物碎屑；以玄武岩、斜长岩、橄榄岩、苏长岩为代表的原始结晶岩碎屑；以熔融岩、微角砾岩、黄色或黑色火成碎屑玻璃、撞击玻璃为代表的角砾岩碎屑及各种玻璃；以陨硫铁、辉石、橄榄石、锥纹石、合文石为代表的陨石碎片及粘合集块岩。根据起源，月壤颗粒一般被分为月壤起源颗粒及基岩起源颗粒。其中月壤起源颗粒包括粘合集块岩、月壤角砾岩碎屑等陨石撞击月壤后形成的物质。基岩起源颗粒包括火成岩碎屑、单矿碎屑角砾岩、原始结晶岩碎屑等。科学家们对美国阿波罗探测器及苏联月球（Luna）探测器带回的月球样品进行化学分析，估算出了各采样区月壤平均化学组成。^[2]

月壤的颗粒组成是决定月壤物理力学性质的主要参数。月壤粒度分布很广，颗粒直径以小于1mm为主，绝大部分颗粒粒径在30μm至1mm之间。天文学家Mark Morris基于吉姆·派匹克(Jim Papike)所提供的阿波罗采样点的数据，计算出了阿波罗各次着陆点典型月壤样品中的粒径。结果显示，月壤的平均粒径与采样深度成正比，月壤的粒径与月壤的成熟度相关。研究还表明月壤粒度与淤沙相似，中值粒径介于40μm至130μm之间，平均值约为70μm。其中，颗粒直径小于20μm的月壤颗粒占10%至20%。中国嫦娥四号探测器使用数值模拟的方法对着陆点表面月壤进行了物理性质的分析研究，结果显示嫦娥四号着陆点的月壤颗粒最优平均粒径为15 μm。月壤颗粒粒径大都小于肉眼的分辨能力，故而它们易于漂浮并附着在探测器、工程设备及宇航服上。此外，月壤矿物组成的作用会随着月壤颗粒的缩小而提升，从而影响破坏月壤的移动。^{[13][2][14][3][38]}

月壤颗粒形态复杂多变，呈现圆球状、椭球状、长条状、多边形状、不规则棱角形状等形态。其中，长条状、次棱角状及棱角状的颗粒形态较为常见。月壤颗粒通常沿着颗粒长轴方向定向排列。表面不规则的月壤颗粒接触不紧密，这对月壤的抗压性和抗剪性造成了严重影响，并影响了月壤的密度。^[2][13]

月壤密度（bulk density）指月壤自然结构在未受到破坏的情况下单位体积内的月壤质量。研究显示，月壤密度ρ(单位g/cm3)与该点所处的月壤深度z(单位cm)相关，二者之间的双曲线关系为：。月壤密度与深度之间的指数关系为：。研究表明，在40cm深度范围内，月壤密度在1.3g/cm3至1.7g/cm3之间。此外，研究还显示月壤密度与其抗切强度及深度成正比，月壤密度越大，越难以产生压缩变形。^[13][2][3]

月壤颗粒的相对密度指月壤颗粒的质量与同体积纯水在4­°C时的质量比。月壤颗粒的相对密度与其中包含的如玄武岩、角砾岩等不同颗粒类型的相对含量有关，大部分月壤颗粒的相对密度在2.3g/cm3至3.2g/cm3之间。^[2]

月壤的孔隙比（e）指月壤中孔隙体积与颗粒体积之比，与月壤颗粒的相对密度（G）、月壤密度（ρd)及4­°C时纯水的密度（ρw）有关，计算关系式为：。天然状态下的月壤孔隙比可用来评估月壤的密实程度，一般情况下，孔隙比小于0.6的月壤为密实的低压缩性月壤，孔隙比大于1.0的月壤为疏松的高压性月壤。月壤的孔隙率（n）指月壤中孔隙所占体积与总体积之比。A.K. 列奥诺维奇等多名科学家就“月球”16号带回的月壤样本进行了测定研究，研究表明，月壤的孔隙比在疏松状态下为1.7，在密实状态下为0.67。^[2][3][14]

月壤导热系数极低。研究表明，深度在几厘米之内的浅层细颗粒月壤的温度在200K左右时，导热系数为1.2×10-3 W/(m·K)至1.44×10-3 W/(m·K)；月壤深度在几厘米至十几厘米左右时，导热系数在1.0×10-2 W/(m·K)至1.5×10-2 W/(m·K)之间。此外，月壤的导热系数与温度成正比，并与月壤的深度相关。中国嫦娥四号探测器使用数值模拟的方法对着陆点表面月壤的热导率进行了分析研究，结果显示月壤热导率中的热传导分量在月表约为1.53×10-3 W/(m·K)，在1米深处约为8.48×10-3 W/(m·K)。^[38][13]

月壤的温度分布与时间、深度及纬度有关。根据热发光测量结果显示，月壤的温度梯度为2±2­℃/m。在月壤厚度小于5米的情况下，月壤下伏基岩的温度梯度为2­℃/km左右。“阿波罗”15号和17号着陆时，宇航员使用热电偶测量了月壤表面温度。然而，由于电缆的热辐射和热物理特性的不确定性以及局部表面粗糙度等多方原因，测量结果呈现出较大的误差。中国发射的嫦娥四号探测器突破了月夜采温系统技术，利用触月端铲式装置，首次在月球表面开展了月壤温度的自动测量。研究结果显示，月壤温度具有白天高、晚上低的特点，正午期间月壤温度临近日最大值20℃左右，傍晚期间月壤温度急剧跌至-170℃左右。^{[39][13][40][38][41]}

在压力作用下，月壤体积缩小的特性被称为月壤的压缩性，月壤的压缩性由压缩指数、压缩系数、现场原位载荷试验确定、有侧限压缩试验确定及重复荷载试验确定所决定。A. H. 韦杰宁和E. A. 杜霍夫斯基等科学家曾对“月球”16号探测器采集的月壤样本进行研究，结果显示当压强在0kPa至32kPa之间时，压强和月壤形变成正比；在压强高于32kPa后，月壤趋近于密实状态。有研究表明，在100kPa至600kPa压力的作用下，月壤颗粒的压缩量可以完全忽略不计。月壤的压缩也被认为是月壤孔隙体积的减少。^[2][17][14]

A. N. 韦杰宁、E. A. 杜霍夫斯基等多名科学家在氦气环境中对“月球”16号带回的样本进行了容重测定研究。研究表明，月壤在松散状态下的容重为1.26×10-2N/cm3；经过50次敲击量杯中的月壤表面后，月壤的容重为1.90×10-2N/cm3；在有机玻璃杆压实后，月壤的容重为1.90×10-2N/cm3。科学家们对“阿波罗”14号采集的月壤样本进行了研究，研究结果显示“阿波罗”14号采集到的月壤样本的容重在1.6×10-2N/cm3至1.75×10-2N/cm3之间。^[16][14]

月壤由固体颗粒组成，在外力作用下，颗粒之间会发生滑动移位。月壤颗粒抵抗这种滑动的性能的特性被称为抗剪性。无粘性月壤的抗剪力一般由颗粒间的滑动摩擦力及颗粒间的镶嵌作用产生的摩擦力组成，粘性月壤的抗剪性则由月壤的内摩擦角（ψ）和内聚力（c）两个指标决定。其中，内摩擦角ψ值代表月壤颗粒间的摩擦力大小，内聚力c值则反映月壤颗粒粘结力的强弱。^[2]

在被阳光照射时，月壤电导率的增幅至少在106S/m以上。电磁测深研究结果表明，当月壤中岩石块的直径与电磁波的波长在同一数量级时，电磁散射就会产生。随着温度的变化，月壤的电导率呈现非晶质特征。此外，科学家们发现月壤有极低的电导率和损耗率，这两个特性导致无线电波可轻易穿透月壤的厚度达10米左右，并使月球物质极易长时间保持带电。^[2]

月壤暴露在太空环境中会遭到微陨石撞击、宇宙带电粒子及太阳高能粒子的不间断攻击，并发生成分上的改变，这些改变被称作月壤的熟化（maturation）。月壤的熟化过程会导致太阳风气体不间断地注入月壤，提高月壤中的氢（H）、氦（He）、碳（C）、氮（N）、稀有气体及来自陨石的铱yī（Ir）等气体及元素的含量，并增加月壤的单质铁含量；导致月壤中粘合集块岩的含量在陨石撞击所造成的高温高压作用下快速增加；导致月壤平均颗粒的直径在微陨石及陨石的撞击下减少；导致月壤的光谱特征发生变化。月壤的成熟度根据暴露时间的长短可分为不成熟月壤、亚成熟月壤及成熟月壤，成熟度由月壤中粘合集块岩含量、月壤平均粒径、月壤Is/FeO比值等指标来描述。^[2]

一般而言，月壤的平均粒径与月壤的成熟度成反比，粒径越细，成熟度越高。^[2]

Is/FeO比值与月壤的成熟度成正比，且没有趋于饱和的现象，因此Is/FeO比值被广泛应用于月壤成熟水平的计算活动中。研究表明，阿波罗计划收集到的月壤样本大多是Is/FeO值大于60的成熟样本。^[2]

粘合集块岩是月壤暴露期间陨石撞击而形成的粘合性岩石，它由与玻璃熔结的岩石物质组成，是月壤的重要组成部分，也是单质金属铁（Fe0）的寄主。粘合集块岩的含量与月壤成熟度成正比，故而粘合集块岩含量也被认为是测量月壤成熟度的指标之一。^[2][42]

月球土壤由岩石碎片、单矿物碎片、凝集颗粒等各种颗粒组成。其中，月球表面的凝集物由微陨石撞击形成。这种撞击使相邻的物质融合在一起，每个尘埃颗粒的玻璃壳中都嵌入了微小的铁元素，并以以单质和阳离子(+2)氧化态的形式存在。由昆明理工大学与中国科学院地球化学研究所组成的联合研究团队对嫦娥五号采集到的月壤样本进行了分析，研究人员在月壤样本中发现了歧化反应成因单质金属铁的可靠证据。科学家们研究指出，月球土壤中含有金、银、铅等矿物颗粒；含有金和锌的铜矿颗粒；含有铜杂质的硫化金；含有少量锡和铜杂质的锑矿颗粒和少量铢以及地球上所没有的碘化铑。与此同时，研究人员还在月壤中发现了辉铝矿及镉、锌、铁、锰和硫结合而成的硫镉矿。^{[43][11][5][7][12]}此外，通过对嫦娥五号月壤样本的科学研究，中国科研人员发现了赛石英和斯石英及多种类型、不同起源的月球玻璃物质，并在月壤中首次发现了天然玻璃纤维及新矿物“嫦娥石”。^[44][45][46]

中国科学院国家空间科学中心和地质与地球物理研究所联合团队对嫦娥五号月壤样本进行了研究。研究表明，月壤样本颗粒的最表层含较高浓度的H原子，这意味着月壤具有高含水量及极低的D/H同位素比值。^[11][5][7]

月壤中的稀有气体并非月球原始大气层自有的产物，而是来自于太阳风粒子的俘获、太阳耀斑粒子的注入、月壤物质与太阳质子及宇宙射线散裂反应形成的氦-3等核素、重核裂变产生的氪kè（Kr）、氙xiān（Xe）等。受陨石不间断轰击的影响，月壤含有丰富的氦-3（³He）资源，该资源在聚变反应堆中具有潜在用途。有数据显示，月壤中的氦-3资源量约为106t。此外，月海地区的氦-3含量远远高于高地地区的氦-3含量。^[2][47][48]根据月壤样品的分析结果显示，月壤中稀有气体的浓度与月壤颗粒大小、月壤成熟度、月壤采样区基岩成分、月壤矿物成分及结构密切相关。^[2][47]

月球土壤具有很强的磨蚀性，它会对密封舱及携带的光学透镜、太阳能电池板等设备产生负面影响，并对人的肺部、神经系统和心血管系统造成损害。此外，暴露在太空环境中的小尘埃颗粒会增加航天服的电弧作用风险。^[49]

月壤样品首次向全球展出

2024年10月14日至18日，第75届国际宇航大会（IAC）在意大利米兰召开。中国探月工程嫦娥六号从月球背面采样返回的月壤样品首次向全球展出。众多国家航天机构和国际组织负责人以及与会代表参观了月球样品。^[50]

美国与中方商谈租借月壤样品

2024年10月23日，据路透社报道，美国航空航天局（NASA）局长比尔·纳尔逊表示，NASA在同中方官员进行谈判，以便让美国科学家对中方取回的月壤样本开展研究，美国寻求加强与中国在太空问题上的沟通。在他看来，与中方的谈判会有个“积极”的结果，中国也会答应提供样品的请求。^[51]针对此事，发现月壤可制水的中科院宁波材料所王军强研究员公开回应称，“月壤是极其珍贵的，它需要一系列严格的流程和审批。而且不要觉得给你了就是你的了，研究结束要还回去的！”^[52]