1969年7月20日，阿波罗11号登陆月球，宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林踏上了月球表面，迈克尔·柯林斯驾驶哥伦比亚号指令舱环绕月球飞行。“这里是静海基地，‘鹰’着陆成功”成为阿波罗登月事件中最热流行语之一，‘鹰’指的是鹰号登月舱。阿波罗11号成功登月也为阿波罗的另外5次登月奠定了基础。
阿波罗每一次登月都对着陆点做了精心的研究，并开展了各种实验，探测月球内部，测量太阳风。训练有素的宇航员考察了月球地质，收集了月球岩石和表岩屑的样本。表岩屑就相当于月球的土壤，是月球的岩石被微陨石撞击后产生的碎片，覆盖在月球表面上。经过半个多世纪的研究，这些样本不仅揭示了月球的起源和历史，而且还揭示了我们所在的太阳系的运行情况。
阿波罗11号
阿波罗11号带来的科学成果确立了月球和行星科学的关键范式。阿姆斯特朗克服重重困难，把鹰号登月舱降落在静海坑坑洼洼的玄武岩平原上。舱外活动时间很短，只有两个半小时，进行的科学活动有：开展月球表面实验，探索着陆点附近的一些陨石坑和60米外的陨石坑——小西坑，如图1所示。奥尔德林在月球上留下的脚印呈现出月球土壤的面目，可看出月球土壤是细细的颗粒、具有粘性、紧密堆积在一起。
早期的阿波罗科学实验仪器包括：无源地震仪、激光测距后向反射器和其他设备。地震仪在短短三周内设计出来，但成为第一把探测月震数据奥秘的钥匙。阿波罗12号、14号、15号和16号带到月球上的地震仪连成网络，探测月球内部结构，并最终测量了数千次月震。
阿波罗11号在月球上安装了一个激光后向反射器，这种设备阿波罗计划后又安装了4个。当月球慢慢远离地球时，主动激光测距仍然精确地测量月球与地球之间的距离。阿波罗11号带回来约22千克样本。（阿波罗计划总计带回了382千克样本，其中最后一次登月的阿波罗17号运回了111千克样本。）阿波罗11号带回来了表岩屑，人类得以在地球上分析表岩屑的成分。编号为10084的表岩屑样本被称为“阿姆斯特朗填充土”，可能是历史上研究最多的地质样本。
图1 阿波罗11号着陆点处美国国旗、电视摄像机、科学实验设备位置。阿姆斯特朗和奥尔德林在月面踩出了一条小径
带回地球上的月球岩石大部分是玄武岩，即行星(或月球)内部部分熔融体形成的火山岩。月球上的玄武岩的钛含量比地球上任何玄武岩都要高，但成分与地球上的玄武岩类似，主要是镁铁钙硅酸盐矿物辉石、钙铝硅酸盐矿物斜长石和铁钛氧化物钛铁矿。
放射性年代测定发现，月球玄武岩的形成时间距今超过35亿年；从岩石和表岩屑之间的同位素关系可推知，月球非常古老，形成于44亿年前。尽管火山岩含有小泡，表明火山喷发时释放出气体；但没有证据表明火山岩发生过蚀变，火山岩里几乎没有水、二氧化碳和其他挥发物。月球上的岩石也完全没有任何生命迹象。
表岩屑样本中含有丰富多样的物质，蕴含无价的信息（见图2）。在月球历史上，流星和小行星的撞击无时无处不在，撞击出的岩石碎片散落在撞击点周围方圆几十至数百千米的地方。撞击过程中，火山玻璃、撞击玻璃和角砾岩碎片混合在一起，组成了表岩屑。此外，微陨石撞击表岩屑，高温冷却之后，还会使表岩屑烧结在一起。表岩屑还会混合进来远处月球高地散落过来的斜长岩小碎片。
图2 阿波罗11号带回来的表岩屑中的土壤颗粒 (a) 岩石碎片角砾岩、火山玻璃、冲击玻璃、烧结颗粒、斜长岩颗粒、火山玄武岩碎片。(b) 切割成薄片，用于透射光学显微镜研究
1970年，地质学家约翰·伍德（John Wood）等人推断，斜长岩晶体漂浮到岩浆洋的表面，慢慢聚集起来，最终形成了富含斜长岩的月壳。相反，密度较大的矿物，如辉石和橄榄石，下沉形成月幔。因此，月球形成时候的温度很高，并在其历史早期经历了分化。月球早期的历史就是由表岩屑中的一把小岩石碎片揭开的。
阿波罗12号和14号
4个月后，1969年11月，阿波罗12号发射升空。登月舱“无畏号”执行了一次精准的着陆，距离“勘测者3号”飞船只有几步远。勘测者3号是阿波罗11号登月之前发射到月球上的登月航天器。这个着陆地点不仅可以方便获得该处岩石和表岩屑样本，而且可以获得350千米外的哥白尼陨石坑的喷射物。阿波罗12号的部分有效载荷包括地震仪、磁力仪、太阳风谱仪、离子和尘埃探测器，这些仪器都用放射性同位素电池供电。阿波罗12号带回了“勘测者3号”的一些零件，宇航员还考察了几个陨石坑，并从不同深度取样，以便科学家研究月球的地层。
月球上火山喷发或受到陨星撞击时，岩石以及岩石粉末等被抛向四周，这些物质再逐渐回落到月面，形成辐射纹。宇航员采集了一些可能是哥白尼陨石坑喷发出的辐射纹的岩石样本。这些样本中有丝状玻璃和非玄武岩，这为陨石坑形成于8亿年前提供了证据。哥白尼陨石坑的年龄的推定和随后对其他撞击坑和火山表面的年代测定，为月面年代学奠定了基础。根据阿波罗号的数据，科学家可以建立单位面积上受到撞击的大小和频率与月面年龄之间的关系（参见图3），这种关系是研究太阳系的其他岩石行星如水星、金星、火星等的陨石撞击和火山活动的相对年表的基础。
图3 由月球样本可测得陨石坑大小-频率分布，月面年代学建立在对月球样本的年代测定之上，N(1)指直径在1千米及以上的陨石坑数目，图上所示为陨石坑数目随年代的累积。标有数字的“A” 和 “L” 分别指阿波罗和月球发射任务。陨石坑大小-频率分布由轨道拍照图片得到
阿波罗12号带回的样本具有显著的多样性。著名的克里普矿物富含钾、稀土元素和磷，存在于撞击熔融岩石和稀有花岗岩中。阿波罗12号带回的几种玄武岩来自熔岩流的底层序列，与阿波罗11号着陆点发现的玄武岩大为不同。
阿波罗13号因事故未能登月，绕月返回。
阿波罗14号登月舱“安塔瑞斯”是第一个没有选择平坦的火山平原地形上着陆的登月舱。阿波罗14号的着陆地点叫弗拉·毛罗高地。弗拉·毛罗高地的轨道照片分析表明，该处岩石来自于以北600多千米以外雨海撞击盆地形成的撞击事件。对角砾岩分析可推定，弗拉·毛罗高地形成于39亿年前。从相对地层学上看，雨海是最年轻的撞击盆地之一，几乎所有其他盆地都形成于雨海之前。从月壳深处挖掘出的雨海岩石中含有丰富的克里普矿。对着陆点附近的科恩陨石坑（Cone Crater）喷射出的样本进行年代测定，推知该陨石坑形成于5 000万年前，这为月面年代学提供了另一个关键的数据。
阿波罗15号和16号
阿波罗15号于1971年夏天发射，是第一次执行所谓的J任务登月活动。J任务中包括送上月球一个月球车和在月球表面更长时间（近19小时）的舱外活动。舱外活动期间，宇航员收集了约77千克的样本，并考察了更复杂的地质情况。猎鹰号登月舱降落在另一处平坦的月海上，紧邻壮观的亚平宁山脉，一些山峰高达4 000米，是雨海盆地边缘的一部分。此次任务的一个关键目标是，宇航员要穿越亚平宁山脉之一的哈德利·德尔塔山底部，寻找盆地形成时从月球深处带上来的古老月壳物质。
最引人注目的发现之一是一块绿色的火山碎屑玻璃珠，它是在一个巨大的熔岩喷涌过程中，来自月幔深处的物质迅速上升到地表，在没有结晶的情况下而形成的。月球车帮助宇航员收集到的最著名样本是“安全带石”，这块岩石有非常多的气孔，如图4所示。这块岩石是指令长大卫·斯科特（David Scott）发现的。斯科特知道宇航员的舱外时间不多了，而且任务控制中心也不允许他停车去捡那块石头，于是他以停车系安全带为借口，停下车来迅速捡起了那块石头，那块石头因此得名。
图4 阿波罗15号和16号收集的岩石样本：
(a) “安全带石”15016 是一块多孔玄武岩。(b)“起源石” 15415是一块含二价铁的斜长岩，是月壳中主要的岩石类型。(c) 60025，一块1.8千克的斜长岩样本。(d) 61016是一块11.7千克的角砾岩的上表面，被称为“大穆雷”，名字源于阿波罗16号首席地质学科学家的名字。这块岩石含有很多细小的撞击坑
斯科特和其他宇航员接受了充分的科学训练，以有助于寻找可能代表深层月壳物质的粗晶岩石，训练的成效之一是他们洞察出一块浅色的粗糙的具有反光面的岩石的重要性，这块岩石被命名为“起源石”。研究发现，起源石是斜长岩，是从岩浆洋中浮出来的矿物，因此是月壳的原始样本。同位素分析证实这块岩石确实很古老——超过40亿年，但是分析也揭示出这块岩石形成史非常复杂，难以精确推定它的形成时间。收集和记录岩石的地质环境，加上宇航员精确的定位和描述，我们得以能够绘制出精细的地图和着陆点的剖面图。
J任务的另一个进展是添加了科学仪器舱。科学仪器舱配备有：全景和测绘照相机，进行系统轨道遥感；X射线和伽马射线光谱仪，用于测定元素组成；激光测高仪，用于确定地貌。阿波罗15、16和17号的科学仪器舱的观测提供了月球表面的赤道数据范围，供研究人员用来从“阿波罗区”的区域推断整个月球的状况。J任务轨道观测为科学界的服务一直持续到20世纪90年代，此后，克莱门汀号和月球勘探者号宇宙飞船开始提供全月球遥感服务。
阿波罗16号是唯一一次考察远离月海的月球高地的航天活动。猎户座登月舱在笛卡尔高地附近的山区着陆，主要的科学目标是研究凯莱平原的起源。凯莱平原毗邻笛卡尔高地，在此之前，科学家认为凯莱平原是由富含硅的岩石和火山灰沉积物形成的。根据阿波罗16号带回的样本和数据，却发现凯莱平原实际上与多山的笛卡尔地层重叠，因此更年轻。从轨道照片中，地质学家推断笛卡尔地层是300千米外古神酒海盆地的喷出物形成的。
阿波罗16号在南射线陨石坑和北射线陨石坑之间着陆，以便于在两坑中取样。宇航员驾驶月球车对两陨石坑的喷射物进行采样，以确定它们的年代，同时也为月球年代学提供更多的数据点。研究发现，相对平坦的凯莱平原是由撞击产生的沉积物形成的，最有可能是雨海喷射物形成的。与南射线陨石坑和北射线陨石坑喷发出的岩石相伴的是因撞击而熔融的碎片和风化角砾岩。后者已岩化，具有重要的意义，因为通过风化角砾岩形成时其中封存的太阳风气体，可推断太阳光强度随时间的变化。
阿波罗带回的最大样本是一块重达12千克的角砾岩，绰号“大穆雷”，以阿波罗16号和17号首席地质学科学家比尔·穆尔伯格（Bill Muehlberger）的名字命名。因微陨石撞击，这块岩石朝上的一面坑坑点点。阿波罗计划的一个重要遗产是超级科学训练。这种训练使宇航员能够直接与任务控制中心的科学家合作，优化野外工作。这个特点发展的顶峰是阿波罗17号加入了一名地质学家宇航员哈里森·施密特（Harrison Schmitt）。
阿波罗17号
阿波罗17号是阿波罗计划的收山之作。1972年12月，阿波罗17号降落在美丽的陶拉斯﹣利特罗谷，这是澄海边缘一个地质复杂的地区。陶拉斯﹣利特罗谷谷底铺满玄武岩，四周的山峰有2 500米高，如图5所示。此次任务目标包括：确定澄海的形成年代、确定玄武岩的形成年代和组成、收集澄海形成过程中涌出的古月壳碎片。
图5 阿波罗17号着陆点陶拉斯-利特罗谷。(a) 此图对应的实景有18千米宽，图上方位为上西右北，澄海位于右上方。 (b) 宇航员穿越陶拉斯-利特罗谷的轨迹。用数字标记的“S” 和 “L” 分别为取样地点和月球车停车点
科学家在轨道图像上发现了巨大的火山灰沉积区，他们想要从中取回些样本。山谷中还有一群次级陨石坑，沿着2 400千米远的第谷陨石坑的射线排列，相伴还有在南中央脊底部由山崩形成的轻月幔沉积。科学家推测，这些陨石坑和月幔沉积物是由第谷陨石坑喷出的物质落在该地区而形成的。宇航员对轻月幔沉积物进行取样，以便研究人员确定第谷陨石坑形成的年代，类似于阿波罗12号对哥白尼陨石坑所做的工作。
此外，阿波罗17号上的地质学家宇航员施密特还在矮子陨石坑的边缘发现了一层橙色玻璃珠。这种物质也是火山灰，显示为橙色是因为其钛含量很高，与阿波罗15号发现的极低钛含量的绿色玻璃截然不同。然而，就像阿波罗15号取回的绿色玻璃一样，橙色玻璃月壤成为阿波罗计划取得的最重要的样本之一，成为热门研究对象，因为它代表了月球内部最原始的样子，没有经过结晶过程的干扰。
陶拉斯﹣利特罗谷的玄武岩形成于37亿~38亿年前。冲击熔融角砾岩是从南北中央脊底部的岩石中取样的，它们的形成年代仅比雨海的角砾岩早几千万年。澄海退化得更为严重，很明显，在这段时间内形成了许多撞击盆地，如铅同位素分析所暗示：撞击相当于灾难性的轰炸。在轻月幔沉积物和陶拉斯-利特罗谷其他地方收集的9个样本揭露出，其形成于约1.1亿年前，这也是第谷撞击事件发生的时间。阿波罗17号的样本中还发现了10块超过40亿年的古老月壳岩石。它们继续为检验有关月球古月壳起源的假说提供依据。
与前几次不同的是，阿波罗17号进行了一次主动月震实验，目的是通过接收炸药爆炸产生的信号来确定月球内部结构。其他的实验还有：探索月球表面的电性质、确定宇宙射线对生物材料的影响、使用横向重力仪来绘制出月球内部结构。美国号轨道指令舱携带有微波探测仪、红外辐射计、远紫外光谱仪、测绘和全景相机和激光高度计。这些仪器提供的轨道数据集是此后20多年来科学家在月球轨道上进行的最后一次直接测量。
月表物理
阿波罗12号、14号、15号和16号部署在月球上的月震仪阵列继续向地球传输数据，一直持续到1977年9月的所有仪器关机。月震仪阵列记录下超过12 000次月震，其中大约7 000次为深月震，深月震与地球引力所产生的潮汐力有关。其他月震为流星撞击、火箭助推器控制降落等造成的月震以及月壳的受热和膨胀引起的浅层热月震。
月震数据可提供以下方面的信息：月壳厚度、月震波穿过月壳﹣月幔边界时月震速度的变化、月幔深处月震的不连续性和月震衰减区。早前估计月壳平均厚度为60千米，但现代分析认为在30千米至40千米之间。
时至今日，激光测距后向反射器依然在工作。测量数据发现，月球转动不规则，表明其核心部分是流体。2011年发射的重力重建与内部结构实验室（GRAIL）航天任务证实，月幔深处有一个部分熔融的区域，并给出了流体外层和固体内核的大小界限。再加上现有的阿波罗月震数据，新的重力测量大大提高了我们对月球内部结构的了解。
样本保护和利用
阿波罗号取回的样本在矿物学和化学成分上与地球物质大体相似，但背后的化学过程具有明显的月球特征。月球岩石是在氧逸度极低的情形下形成的，其所含铁大多为二价铁，大多数样品至少含有少量铁金属。铁钛氧化物主要存在形式是钛铁矿，但也有钛铁尖晶石、镁铁钛矿(首先在月球岩石中发现，并以宇航员阿姆斯特朗、奥尔德林和柯林斯的名字命名为阿姆阿尔柯尔矿石)和静海石(这是一种新矿物，以它的发现地静海命名）。
从玄武岩可一窥月幔和早期分化过程的端倪。玄武岩类型的变化反映了月幔的非均质性，没有如地球对流的均质过程。由于阿波罗所取的是地面真实样本，我们可以利用遥感推断其他地区的玄武岩类型。阿波罗着陆点收集的表岩屑样本中都有火山玻璃，其成分多种多样，二氧化钛浓度从不到1%到超过16%不等。这些成分反映了月幔的非均质性和晚期岩浆洋过程的非均质性，这些非均质性使月幔内很多区域钛含量差异很大。
在阿波罗计划期间，科学家预见到样品的价值，并在约翰逊航天中心建立了博物馆。他们制定了展览、处理和分配的协议，所有样本都专门留出一部分传给后人，并对其中最稀有和最重要的样本给予特别保护。
这些协议确保了近40年之后，样本依然可用新的高灵敏的分析方法来分析火山玻璃、磷酸盐矿物和熔体夹杂物中的氢氧根和水分子。这些研究表明，与曾经以为的观点不同，月球形成时伴随有挥发物；更确切地说，在岩浆洋和后期的火山阶段，月球的挥发物进行了大量的脱气。对月球样本中剩余磁性的精确测量显示，直到30亿到40亿年前，月球内部还有流动的金属核。
研究太阳系的路径
阿波罗计划的探索和对月球样本数十年的研究，为了解地球最近的邻居奠定了基础，也为行星科学提供了基石。研究表明，月球非常古老，大约有45亿年的历史，物质组成与地球相似；但由于月球体积小、压强低、无明显水蚀变过程，月球物质又具有自身的特点。月球的矿物和岩石中有证据显示，月球上曾存在岩浆洋，后来分化成月幔和月壳。30亿~40亿年前，月球内部温度上升，重新熔化，产生了大量的玄武质火山活动。通过对阿波罗所取样本和数据的研究，我们得出了月球是早期地球受到巨大撞击而形成的，这仍然是月球起源的最靠谱假设。阿波罗号的表面样本让我们第一次见识到了宇宙射线、高能太阳粒子和从微流星到小行星的大小陨石对月球表面的蚀变。
也许阿波罗计划最深远的科学遗产是对我们太阳系的持续探索。阿波罗取回的样本提供了晚期重轰炸的第一个证据。所谓晚期重轰炸，是指约于41亿年前至38亿年前，大量小行星撞击月球的事件，这些小行星在39亿到40亿年前达到峰值。早期太阳系轨道动力学模型表明，木星和土星轨道的变化可能破坏了早期小行星和彗星带的稳定性，并导致了发生自太阳系形成后约5亿年的大灾难。
阿波罗号的样本和探索表明：测试这些动力学模型的关键是在月球上，等待下一轮的月表探测和样本收集。
资料来源 Physics Today