嫦娥五號(hào)月壤樣品?！ ≈袊茖W(xué)院供圖
月球上火山活動(dòng)何時(shí)停止？曾經(jīng)的巖漿活動(dòng)如何維持？月球內(nèi)部有多少水？19日，中國科學(xué)院發(fā)布了嫦娥五號(hào)月球科研樣品最新研究成果，對(duì)上述問題進(jìn)行了解答。研究證明，嫦娥五號(hào)月球樣品為一類新的月海玄武巖，月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年，比以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)時(shí)間延長了約8億年，其晚期巖漿活動(dòng)的源區(qū)并不富集放射性元素，并且月幔源區(qū)幾乎沒有水。
相關(guān)研究成果于北京時(shí)間10月15日和19日分別發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》和《自然》上。
月球直到20億年前仍存在巖漿活動(dòng)
2020年12月17日，嫦娥五號(hào)樣品艙成功著陸內(nèi)蒙古四子王旗，帶回了1731克月球樣品，這是我國首次完成地外天體樣品采集，也是人類44年來再次取回新的月球樣品。
月球玄武巖是月幔部分熔融形成的巖漿經(jīng)過火山噴發(fā)至月表冷卻結(jié)晶形成的巖石?；鹕交顒?dòng)是月球具有內(nèi)動(dòng)力的表現(xiàn)，火山活動(dòng)停止表明月球失去了內(nèi)動(dòng)力，也就意味著地質(zhì)意義上的“死亡”。因此，研究火山巖可以揭示月球化學(xué)組成和熱演化歷史。
此前的月球樣本和地球上月球隕石研究已證實(shí)，月球的生命特征——巖漿活動(dòng)至少持續(xù)到28億至30億年前，古老的巖漿噴發(fā)活動(dòng)留下的黑色玄武巖形成了所見的“月?！薄５?，對(duì)于月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因和巖漿活動(dòng)停止的確切時(shí)間等問題，科學(xué)界一直存在爭議。
圍繞上述問題，中科院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）和國家天文臺(tái)主導(dǎo)，聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品中的玄武巖巖屑進(jìn)行了年代學(xué)和巖石地球化學(xué)研究。
嫦娥五號(hào)這次在月球上的著陸點(diǎn)位于風(fēng)暴洋西北處呂姆克山附近，遠(yuǎn)離人類以前的采樣點(diǎn)。中科院院士、地質(zhì)地球所研究員李獻(xiàn)華說：“嫦娥五號(hào)著陸區(qū)是月球最年輕玄武巖單元之一，過去科學(xué)家曾以一種統(tǒng)計(jì)區(qū)域撞擊坑的大小和數(shù)量的方法，推斷這一區(qū)域的年齡為10億至30億年。但是這種方法存在著極大的不確定性?！?/p>
在這次最新的研究中，科研人員利用超高空間分辨鈾—鉛（U—Pb）定年技術(shù)，對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物（斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石）進(jìn)行分析，確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，證實(shí)月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年。也就是說，月球直到20億年前仍存在巖漿活動(dòng)，比以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)延長了約8億年。
“此次嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖的精確年代學(xué)數(shù)據(jù)為撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年曲線提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)，將大幅提高內(nèi)太陽系星體表面的撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年精度。”李獻(xiàn)華說。
月幔非?！案伞保績H為1—5微克/克
2021年7月12日，國家航天局在中科院國家天文臺(tái)舉行嫦娥五號(hào)任務(wù)第一批月球科研樣品發(fā)放儀式，國內(nèi)共有13家科研機(jī)構(gòu)獲得樣品，其中，地質(zhì)地球所等7家院屬單位參與了此項(xiàng)工作。
團(tuán)隊(duì)科研人員拿到嫦娥五號(hào)月球樣品后，第一時(shí)間就對(duì)其進(jìn)行了地球化學(xué)分析。
李獻(xiàn)華說：“我們分析發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)月球樣品的特性和阿波羅飛船月球樣品基本上是一樣的，但是粒度更細(xì)一點(diǎn)，均值是49.8微米。這是什么概念呢？我們的面粉粒度均值是75微米左右，也就是說月壤摸起來比面粉手感還要細(xì)膩一些?！?/p>
科研人員還發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)月球樣品中的玄武巖鐵含量非常高，鎂含量非常低，這是一種全新的類型，且來自于同一次的巖漿噴發(fā)事件。
除了月球巖漿活動(dòng)停止的確切時(shí)間外，月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因也一直是未解之謎。目前科學(xué)界存在兩種可能的解釋：巖漿中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低熔點(diǎn)。
最新研究基于地質(zhì)地球所研發(fā)的超高空間分辨同位素分析技術(shù)，取得了意料之外的結(jié)果：嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖初始熔融時(shí)并沒有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”（這幾種元素在地球化學(xué)上被稱為“不相容元素”，意為不容易進(jìn)入到固體中的元素）。
李獻(xiàn)華說：“嫦娥五號(hào)月球樣品富集‘克里普物質(zhì)’的特征，是由于巖漿后期經(jīng)過大量礦物結(jié)晶固化后，殘余部分富集而來。這一結(jié)果否定了初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動(dòng)過程?！?/p>
對(duì)于巖漿是否富含水，科研團(tuán)隊(duì)利用地質(zhì)地球所納米離子探針研發(fā)的分析技術(shù)，計(jì)算了嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖中的水含量和氫同位素組成，獲得月幔的水含量僅為1—5微克/克，也就是說月幔非常的“干”。
科研人員指出，這一發(fā)現(xiàn)也排除了月幔初始熔融時(shí)因水含量高而具有低熔點(diǎn)，導(dǎo)致該區(qū)域巖漿活動(dòng)持續(xù)時(shí)間異常延長的猜想。
未來月球的探測和研究有了新方向
專家表示，新的研究成果為未來月球的探測和研究開辟了新的方向?！斑^去認(rèn)為月球差不多在30億年到28億年前就停止了巖漿活動(dòng)，我們的最新研究確定在20億年前月球仍存在巖漿活動(dòng)。那么為什么會(huì)有巖漿活動(dòng)？過去認(rèn)為，可能是這個(gè)地區(qū)的放射性元素非常高，或者是富含水，我們的研究也證實(shí)并不是這兩個(gè)原因?？磥?，我們應(yīng)該重新思考月球的地球化學(xué)和熱演化的理論和模型?！崩瞰I(xiàn)華說。
該系列成果作為中國人全面主導(dǎo)的原創(chuàng)性工作，得到國際專家的高度評(píng)價(jià)。
德國拜羅伊特大學(xué)教授、國際知名行星科學(xué)家奧德蕾·布維爾說：“精確的年代學(xué)研究結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖形成于20億年前，比以往認(rèn)為月球巖漿活動(dòng)停止時(shí)間晚了近10億年。這些研究結(jié)果也為月球年輕巖漿活動(dòng)的成因提出了新的問題和研究方向。”
“迄今為止，月球歷史上在30億年前到10億年前之間到底有沒有巖漿活動(dòng)，火山噴發(fā)的數(shù)據(jù)記錄是一片空白，中國科學(xué)家發(fā)表的嫦娥五號(hào)月球樣品研究填補(bǔ)了這項(xiàng)空白?！泵绹又荽髮W(xué)戴維斯分校教授、國際知名同位素地球化學(xué)和宇宙化學(xué)家尹慶柱認(rèn)為，這一重大發(fā)現(xiàn)對(duì)于太陽系行星表面隕石坑撞擊年齡的絕對(duì)標(biāo)定，以及對(duì)于進(jìn)一步研究月球的熱歷史演化都具有非常重要的意義。
中科院副院長周琪透露：“中科院也在積極推動(dòng)月球樣本研究的國際合作，中科院與法國科研中心在月球樣本合作領(lǐng)域方面已達(dá)成初步共識(shí)?！?/p>
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2021年10月20日 12 版）
