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10月15日，在中科院地质与地球物理研究所月球样品洁净室，田恒次副研究员在处理月球样品 新华社发 |
羊城晚报记者 李妹妍 北京时间10月19日，国际顶尖学术期刊《自然》发表了三篇中国嫦娥五号月球样品研究结果的论文，为月球热演化和化学演化提供了新知：月球内部在约20亿年前仍在演化，但与此前猜测不同，月幔中既没有放射性生热元素，亦没有大量水的存在。 羊城晚报记者检索发现，三篇论文标题分别为《Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts》、《Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane》以及《A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5》，通讯作者分别为中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华、研究员杨蔚以及副研究员胡森。 这三篇论文的样品，均来自于名为“风暴洋”的月球北部月海中吕姆克山北部，由中国嫦娥五号月球探测器在2020年12月17日带回地球。这是中国国家航天局探月与航天工程中心自2021年7月12日发放第一批月球样品后，发表的研究成果。 月球岩浆20亿年前仍在活动 月球火山活动是分析月球演化进程的重要依据，火山活动停止表明月球失去了内动力，也即地质意义上的“死亡”。以往对美国、苏联的月球样本进行的放射性同位素测年显示，大部分月球火山活动在约28亿至29亿年前停止，古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了“月海”。 这一次，中国科学家们的研究成果对旧有认识提出了挑战。 在第一篇论文《Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts》中，李秋立等研究人员对嫦娥五号月球样品中47块不同结构的玄武岩碎屑进行了分析统计，重点分析了玄武岩最具代表性的定年对象——含锆矿物，包括斜锆石、钙钛锆石、静海石。利用自主研发的超高空间分辨率铀-铅（U-Pb）定年技术，对3微米以上的50多颗含锆矿物进行了精确测试。 最终，科学家们得到了误差范围内相同的结果，即20.30±0.04亿年。 这一发现更新了月球最“年轻”的玄武岩样品年龄为20亿年，将以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了8亿—9亿年。该论文认为，这项研究首次提供了月球岩浆活动至少持续到20亿年前的确凿证据。 月球最晚期的岩浆活动为何比此前推测的时间晚呢？李献华说，月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜，目前科学界认为存在两种可能的解释：岩浆源区中富含放射性元素以提供热源，或富含水以降低月幔熔点。 沿着这两种研究思路，研究人员们对嫦娥五号月球样品进行了进一步探究，取得了两项意料之外的结果。 月球变冷速度比想象中慢 放射性元素提供热源是目前学术界的主流假说。但第二篇论文《Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane》中，杨蔚和同事的研究表明，月球年轻玄武岩来源的产热元素含量似乎比预期的要低，这一结果也意味着，月球内部有着比预想中更为持久的冷却历史。 按照之前的设想，嫦娥五号着陆区为克里普地体，可能溶出这些岩石的源区也富集不相容元素。简单地说，克里普物质是指富集钾、稀土、磷等元素的物质，这些元素不容易进入到固体中，在地球化学上被称为“不相容元素”。 月球岩石中的克里普物质，从某种程度上可以反映火山活动的热源从何而来。 最新研究发现，嫦娥五号玄武岩样品具有富集克里普物质的特征，但“这是由于岩浆经过大量矿物结晶分异后，残余部分富集而来”。 研究人员采用世界最高空间分辨的激光原位分析方法，分别在80微米和20微米尺度获得长石的锶（Sr）和白磷钙矿的钕（Nd）同位素，这也是迄今为止微区Sr-Nd同位素分析方法首次应用于月球样品研究。研究结果表明，嫦娥五号月球样品上锶和钕同位素与克里普具有显著的差异，其在形成过程中，克里普组分的贡献不足0.5%。 而这一发现也意味着，维持月球长期火山活动的，并非月幔中富含克里普。 该论文指出，嫦娥五号所采集、形成于20亿年前的玄武岩的起源表明，当时月球内部比阿波罗采样的约在35亿年前形成的更原始玄武岩形成时要冷得多，“尽管经历了相当大的长期冷却，但一定有某种机制使月球地幔中的熔融区直到20亿年前才凝固。一种可能的机制是，月球上厚厚的绝缘外层充当了热盖，导致冷却速度足够慢”。 对此，李献华解释称，这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的假说。 月幔源区几乎没有水的存在 在第三篇论文《A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5》中，胡森和同事测定了嫦娥五号玄武岩样品中岩浆包裹体和磷灰石的水含量，得出月幔含水量较少的结论。 此前，根据阿波罗任务以来的分析，一直认为月球是无水的。过去十年原位分析技术的进步，使研究者能对月球样品进行微观尺度的水丰度分析，对其月幔水丰度的估计范围差异达两个数量级，这表明月球内部并不像曾经认为的那样“干”。 该论文指出，关于月球内部水的来源和分布仍存在许多问题，因此，研究来自新地区的年轻玄武岩样本可为月球中水的时空演化提供重要线索。 在得到嫦娥五号月球样品后，研究人员利用高空间分辨的纳米离子探针对样品的水含量和氢同位素组成进行了测定。研究人员估算出，嫦娥五号月球样品月幔源区每克岩石的水含量仅为1-5微克，表明嫦娥五号玄武岩的源区非常“干”。与阿波罗样品反推的月幔相比，这是水含量最低的月幔。 研究人员指出，这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点，导致该区域长时间岩浆活动的猜想。 月球的探测和研究有新方向 此次发表在《自然》杂志的三篇论文，及更早前发表在《国家科学评论》上的一篇论文，作为由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球科研样品研究的首批成果，得到国际专家的高度评价。 “迄今为止，月球历史上在30亿年前到10亿年前之间到底有没有岩浆活动、火山喷发的数据记录是一片空白，中国科学家发表的嫦娥五号月球样品研究成果填补了这项空白。”国际知名同位素地球化学和宇宙化学家、美国加州大学戴维斯分校教授尹庆柱认为，阿波罗样品已经研究了半个世纪，科学界仍然有新的发现被发表，人类对于月球的认知也在不断被刷新，“嫦娥五号月球样品的分析研究才刚刚开始，展望未来，当它被详细研究50年之后，人类对于月球和太阳系的认知将会带来多大的提升！” 国际知名行星科学家、德国拜罗伊特大学教授奥德蕾·布维尔认为，精确的年代学研究结果表明，嫦娥五号月球样品玄武岩形成于20亿年前，比以往认为月球岩浆活动停止时间晚了近10亿年，“这些研究结果也为月球年轻岩浆活动的成因提出了新的问题和研究方向”。 事实上，在嫦娥五号带回月壤之前，中国科学家关于月壤的研究实践，来自于1978年美国捐赠的1克月壤。彼时，面对仅有的1克样品，中国科学家们最多只能用0.5克。在这样的前提下，全国相关科研力量集结起来进行细致入微的科学研究，先后耗时4个月，发表14篇科研论文，回答了月壤取自何处、成分结构如何等问题。 如今，通过对嫦娥五号月球样品的研究，人类终于对月球的历史有了更进一步的认识，也提出了新的科学问题：究竟是什么使月球“活”到了至少20亿年前？ “月球冷却如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理论框架和演化模型。”李献华表示，这对未来的月球探测和研究提出了新的方向。 据悉，中国科学院正在积极推动月球样本研究的国际合作，目前中科院与法国科研中心，在月球样本合作研究方面已达成初步共识。
