Caractéristiques générales

Comme indiqué ci-dessus, le régolithe lunaire comprend des fragments de roche dans une distribution continue de tailles de particules. Il comprend une fraction fine – de caractère sale — qui, pour plus de commodité, s’appelle sol. Le terme, cependant, n’implique pas une contribution biologique à son origine comme il le fait sur Terre.

Presque toutes les roches de la surface lunaire sont ignées — elles se sont formées à partir du refroidissement de la lave. (En revanche, les roches les plus répandues exposées à la surface de la Terre sont sédimentaires, ce qui a nécessité l’action de l’eau ou du vent pour leur formation.) Les deux types les plus courants sont les basaltes et les anorthosites. Les basaltes lunaires, relativement riches en fer et beaucoup aussi en titane, se trouvent dans la maria. Dans les hautes terres, les roches sont en grande partie des anorthosites, qui sont relativement riches en aluminium, calcium et silicium. Certaines des roches de la maria et des hautes terres sont des brèches; c’est-à-dire qu’elles sont composées de fragments produits par un impact initial, puis réactifs par des impacts ultérieurs. Les compositions physiques des brèches lunaires vont des fragments brisés et modifiés par choc, appelés clastes, à une matrice de matériau complètement fondu par impact qui a perdu son caractère minéral d’origine. L’histoire d’impact répétée d’une roche particulière peut entraîner une brèche soudée soit en une masse forte et cohérente, soit en un mélange faible et friable dans lequel la matrice est constituée de fragments mal agrégés ou métamorphisés. Le substrat rocheux massif — c’est-à-dire le substrat rocheux non creusé par des processus naturels – est absent des échantillons lunaires collectés jusqu’à présent.

Les sols lunaires sont dérivés de roches lunaires, mais ils ont un caractère distinctif. Ils représentent le résultat final du bombardement de micrométéoroïdes et des environnements thermiques, particulaires et radiatifs de la Lune. Dans le passé ancien, le flot de corps impactants, dont certains étaient assez grands, a retourné — ou « jardiné” — la surface lunaire à une profondeur inconnue, mais pouvant atteindre des dizaines de kilomètres. À mesure que la fréquence des impacts importants diminuait, la profondeur du jardinage devenait moins profonde. On estime que le centimètre supérieur de la surface d’un site particulier a actuellement 50% de chances d’être retourné tous les millions d’années, tandis qu’au cours de la même période, le millimètre supérieur est retourné plusieurs dizaines de fois et le dixième de millimètre le plus externe est jardiné des centaines de fois. Un résultat de ce processus est la présence dans le sol d’une grande fraction de particules vitreuses formant des agglutinats, des agrégats de fragments de sol lunaire fixés dans un ciment vitreux. La fraction agglutinée est une mesure de la maturité du sol, c’est-à-dire, de combien de temps un échantillon particulier a été exposé à la pluie continue d’impacts minuscules.

Bien que les propriétés chimiques et minéralogiques des particules de sol montrent qu’elles proviennent de roches lunaires natives, elles contiennent également de petites quantités de fer météoritique et d’autres matériaux provenant de corps impactants. On s’attendrait à ce que les substances volatiles des comètes, telles que les composés carbonés et l’eau, soient principalement chassées par la chaleur générée par l’impact, mais les petites quantités de carbone trouvées dans les sols lunaires peuvent inclure des atomes d’origine cométaire.

Une propriété fascinante et scientifiquement importante des sols lunaires est l’implantation de particules de vent solaire. Sans être entravés par les effets atmosphériques ou électromagnétiques, les protons, les électrons et les atomes arrivent à des vitesses de centaines de kilomètres par seconde et sont entraînés dans les surfaces les plus extérieures des grains de sol. Les sols lunaires contiennent ainsi une collection de matériaux provenant du Soleil. En raison de leur histoire de jardinage, les sols obtenus à différentes profondeurs ont été exposés au vent solaire à la surface à différents moments et peuvent donc révéler certains aspects du comportement solaire ancien. En plus de son intérêt scientifique, ce phénomène d’implantation pourrait avoir des implications pour l’habitation humaine à long terme de la Lune à l’avenir, comme discuté dans la section Ressources lunaires ci-dessous.

Les propriétés chimiques et minérales des roches et des sols lunaires contiennent des indices sur l’histoire de la Lune, et l’étude des échantillons lunaires est devenue un vaste domaine de la science. À ce jour, les scientifiques ont obtenu du matériel lunaire de trois sources: six missions d’alunissage américaines Apollo (1969-72), qui ont rapporté collectivement près de 382 kg (842 livres) d’échantillons; trois missions soviétiques d’échantillonnage automatisé Luna (1970-76), qui ont rapporté environ 300 grammes (0,66 livre) de matériel; et des expéditions scientifiques en Antarctique, qui ont collecté des météorites sur les champs de glace depuis 1969. Certaines de ces météorites sont des roches qui ont été projetées hors de la Lune par des impacts, ont trouvé leur chemin vers la Terre et ont été confirmées comme d’origine lunaire par comparaison avec les échantillons renvoyés par les engins spatiaux.

Les constituants minéraux d’une roche reflètent sa composition chimique et son histoire thermique. Textures de roche – c’est-à-dire, les formes et les tailles des grains minéraux et la nature de leurs interfaces — fournissent des indices sur les conditions dans lesquelles la roche s’est refroidie et solidifiée à partir d’une fusion. Les minéraux les plus courants dans les roches lunaires sont les silicates (y compris le pyroxène, l’olivine et le feldspath) et les oxydes (y compris l’ilménite, le spinelle et un minéral découvert dans les roches collectées par les astronautes d’Apollo 11 et nommé armalcolite, un mot issu des premières lettres des noms de famille des astronautes — Armstrong, Aldrin et Collins). Les propriétés des minéraux lunaires reflètent les nombreuses différences entre l’histoire de la Lune et celle de la Terre. Les roches lunaires semblent s’être formées en l’absence quasi totale d’eau. De nombreux constituants minéraux mineurs dans les roches lunaires reflètent l’histoire de la formation du manteau et de la croûte lunaires (voir la section Origine et évolution ci—dessous), et ils confirment l’hypothèse selon laquelle la plupart des roches trouvées à la surface lunaire se sont formées dans des conditions réductrices – c’est-à-dire celles dans lesquelles l’oxygène était rare.