月球巖石透露了多少秘密

賈斌

美國日前宣布將逐步打開封存的月球樣品，利用新技術手段展開研究。自1969年至1972年，美國先后成功進行了6次載人登月，并帶回約382公斤月球樣品。借助這些樣品，人類對月球有了一個全新的認識。那么，幾十年來，我們從月球的樣品中得到了哪些信息呢？

日月安屬？月球起源大撞擊假說的提出

戰國時楚國的詩人屈原在《天問》中寫道：“日月安屬？列星安陳？”向天發問日月從哪里來、日月星辰為什么這樣排布？月球的起源，不僅讓詩人浮想聯翩，也是科學家十分關心的問題。

1879年，著名生物學家達爾文的第二個兒子、天文學家喬治·達爾文提出，月球是由地球分裂出去的，他認為幼年地球快速地自轉和太陽的潮汐作用形成共振，足以將地球甩出去一部分，形成月球。但后來的學者通過計算得出，這種作用不能夠把地球的物質拋出去。1952年，美國物理學家、諾貝爾化學獎獲得者尤雷提出，月球和地球一樣，是由太陽系原始的星塵匯聚而成的。隨后，又有學者提出共生理論、捕獲理論以及新的分裂理論等。但是，這些理論都存在非常大的缺陷，隨著對阿波羅計劃帶回的月球樣品的深入研究，被一一廢棄了。

阿波羅計劃帶回的382公斤的月球樣品有很多種，比如斜長巖、玄武巖、橄欖巖等等。這說明，月球是高度演化的，并不是一個混沌的大球。這就否定了尤雷的說法，因為根據他的假設，月球由冷的原始星塵匯聚而成，它不應該有這么大程度的分異。月球起源的關鍵證據來自于對月球樣品化學組成的研究，尤其是氧同位素。

氧是一種非常常見的元素，我們每天都在和它打交道。一個氧原子的原子核里有8個質子，它決定了氧元素的性質，此外還有不同數目的中子，分別為8、9、10個。所以氧元素就有3種不同組成的原子核，分別記作16O、17O和18O，稱為氧的三種同位素。在太陽系中，由于不同星體的演化歷史不同，它們包含的氧同位素含量的比值和演化趨勢是不一樣的，所以可以通過測定氧同位素的比值來推測它們是否具有相同的起源。對阿波羅樣品的研究表明，地球和月球的巖石具有高度相似的氧同位素組成，這說明它們來自于同一個母體。但地月之間又有不同之處，比如月球的鐵含量明顯偏低，易揮發組分偏低，而難熔元素又明顯偏高。

這些證據促使美國地質學家哈特曼和戴維斯在1975年正式提出大撞擊理論。他們認為在地球形成后不久，一個火星大?。ㄖ睆郊s1200公里）的小型星體快速與地球相撞，并拋射出約兩個月球質量的物質，一部分落回地球，一部分則在地球外凝結，形成了月球。在2000年，這個撞向地球的星體被命名為忒伊亞（希臘神話中月亮女神塞勒涅的母親）。在它們相撞的時候，地球已經完成了地核和地幔的分化，即地球上的鐵元素大多已經下沉到地核中，斜著飛過來的忒伊亞只是撞上了貧鐵的地幔，這就是月球鐵含量低的原因。而撞出去的巖石幾乎都變成了熔體甚至氣態，易揮發的元素比如氫、氯等揮發掉了，而難熔的元素，比如鈣、鋁等則非常富集。地月具有相同來源，所以它們的氧同位素組成一致。地球和月球的成分既有相同，又有不同，從而否定了共生說和捕獲說，因為這兩個學說要求地月的組成要么完全相同，要么有巨大差異。

明月幾時有？揭開月亮芳齡的奧秘

“明月幾時有，把酒問青天”是宋代詩人蘇軾的疑問，但顯然，他并沒有得到答案。不僅蘇軾不知道，直到大約一千年后，阿波羅號登月前，人們仍然不知道月球是在什么時候形成的。獲取月球的年齡，仍舊要借助阿波羅計劃采回的月球樣品。

大撞擊形成了大量的熔融物質，由它凝結形成的月球幾乎也是一個熔融的大石球，科學家稱之為巖漿海。后來，隨著溫度的降低，巖漿海逐漸冷凝結晶，形成晶體。不同的礦物結晶順序不一樣，比如橄欖石和輝石最先結晶，而且比較重，會沉到巖漿海的底部，組成了月幔。后結晶的斜長石比較輕，漂浮在巖漿海的上方，就形成了斜長巖組成的月殼。在月球冷卻以后，又遭受了大規模的隕石撞擊，斜長巖的月殼被撞出大量的撞擊坑。后來，撞擊坑被深部來的玄武巖巖漿填充，就成了我們看到的月海，而斜長巖質的月殼就被稱為高地。月海的玄武巖呈黑色，反光性差，而高地的斜長巖為淺色，反光性好，這就形成了我們晚上看到的明亮而又有暗斑的月亮。月球年齡的秘密就隱藏在這些巖石之中。

阿波羅11、12、14號降落在月海之中，采回來的大都是玄武巖，年齡一般為30億～40億年。最老的玄武巖來自于阿波羅13號，為43億年。這說明在30億年前左右，月球的火山活動基本停止了，月表趨于沉寂。

2017年，一項新研究測定了阿波羅14號返回的幾塊月海玄武巖中鋯石的同位素組成。鋯石是一種非常穩定的礦物，可以長久地保存形成之初時的信息?？茖W家發現，根據鋯石中放射性同位素的衰變規律，推斷月球至少在45.1億年前的時候就已經形成了。

我們目前發現的太陽系最古老的巖石是一塊未分異的球粒隕石，年齡為45.67億年。如果我們把這個時間作為太陽系形成的時刻，那么月亮至少在太陽系形成約5000萬年后就已經存在了。

根據阿波羅計劃返回的樣品以及其他的研究手段，我們可以勾勒出月亮早期的歷史：大約46億年前，太陽系開始形成，太陽周圍有大量的碎屑塊體，也開始慢慢集結，形成大的行星;大約在45.5億年前的時候，原始地球已經成型，而且溫度很高，內部地核和地幔開始分化，鐵等較重的元素下沉形成地核;又過了幾千萬年，一個叫忒伊亞的星體高速撞上地球，激起了大量物質拋灑到地球周圍，與忒伊亞星體凝結形成了月球，這個時間可能在45.3億年前左右，之后月球的巖漿海逐漸分異出自己的月核、月幔和月殼。在40億～38億年前，月球遭受了大量撞擊，表面形成了無數大大小小的撞擊坑，并被后來上涌的巖漿填充，形成暗色的月海。撞擊較輕的地方仍舊是明亮的高地。在30億年前左右，撞擊減少，月球的巖漿、構造活動也基本停止，月球的面貌就固定了下來。

現在，我們可以回答蘇軾的疑問了：大約在45億年以前，月亮就已經存在了，而在30億年前左右，它的面貌就基本固定下來了，從而讓古代的中國人根據月亮上的圖案想像出嫦娥、玉兔和桂樹的故事。

他山之石，可以攻玉 借助月巖研究地球早期環境

對地球的形成和演化的探索一直是地質學研究的難點，因為地球上存在活躍的板塊運動和風化作用，古老的巖石基本上蕩然無存了。我們已知的最古老的地球物質是來自于澳大利亞的一塊鋯石，年齡為44億年。僅憑這一塊鋯石，我們很難獲取幼年地球更多的信息。最古老的巖石在加拿大，年齡大約為40億年。但是它經歷了很多期的地質運動，原始信息大都被改造掉了。所以，研究地球早期的環境就要靠月球了。

從月球的巖石分析中，我們知道地球至少在45億年以前就已經形成了，而且完成了地核和地幔的分化。并且大撞擊事件形成了月球的巖漿海，那么地球上也應該有巖漿海，只不過地球巖漿海的證據被地球上的地質活動抹掉了。

更巧合的是，在2019年1月發表的一項研究中，瑞典、澳大利亞和美國的科學家發現，在一塊阿波羅14號帶回的樣品中（編號14321），包含了一塊白色的巖塊，只有三四厘米，包含了鉀長石、石英和鋯石。對這塊特殊巖塊的研究發現，如果它在月球形成，深度就應該在月表170公里之下。而與它相連的14321號樣品其他部分形成深度不到70公里，這是矛盾的。另外，這個小巖塊形成的溫度較低，需要比較氧化的環境，這些都與14321號樣品其他部分形成于高溫、極度還原的環境是不符的。而從化學組成方面，它又和地球的物質非常像。所以，科學家推測它可能形成于地球上，深度大約20公里，溫度約800℃，年齡大約40億年。后來，它被一次巨大的撞擊送到了地外，最終落在了月球上，又被阿波羅飛船帶回地球。尤其可貴的是，這塊樣品很好地保留了地球形成之初的信息，為我們打開了一個認識早期地球組成的窗口。

據悉，中國發射的“嫦娥五號”從月球上采樣2千克月巖回到地球，不僅包括土壤，還有巖石，甚至還有鉆探獲取的巖芯。這必將給月球樣品研究帶來新的熱潮，也一定會揭開更多有關月球的奧秘。

（梁衍軍摘自2019年12月11日《北京日報》）