嫦娥五號月壤研究有重要發現刷新月球演化傳統認知

齊芳

2021年7月12日，嫦娥五號任務第一批月球科研樣品正式發放給國內13家科研機構，中國科學院取得了其中5克樣品。3個月過去了，這5克月壤能告訴我們什么？

中國科學院10月19日發布嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果，多項突破性進展給出了對月球演化的全新認識。該系列研究由中科院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）和國家天文臺主導，聯合多家研究機構共同開展，相關成果形成4篇論文，在《國家科學評論》發表1篇，在國際學術期刊《自然》發表3篇。

月球何時喪失了“火力”

人們經常用“火力壯”來形容一個人具有生命活力。如果星球也有生命，那么巖漿活動，就是星球是否還有“火力”的表現。論文的通訊作者、地質地球所研究員李獻華院士說：“地球如此有活力的原因之一，就是內部還有巖漿活動。但是月球已經喪失了生命力。那么，月球的巖漿活動是什么時候停止的呢？”

要研究已經噴發過的火山，是看巖漿活動的產物——玄武巖。對美國、蘇聯的月球樣本和地球上月球隕石的研究已證實，月球的巖漿活動至少持續到大約28～30億年前，古老的巖漿噴發活動留下的黑色玄武巖形成了所見的“月?！?。但是，對于這個問題，科學界一直存在爭議。

嫦娥五號的著陸區是精心選擇過的，“科學家曾以一種統計區域撞擊坑的大小和數量的方法，推斷嫦娥五號著陸區是月球最年輕玄武巖單元之一，這一區域的年齡為10～30億年?！崩瞰I華介紹，在研究中，科研人員利用超高空間分辨率鈾-鉛（U-Pb）定年技術，對嫦娥五號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）進行分析，確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，證實月球最“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，比以往月球樣品限定的巖漿活動停止時間延長了約8億年。

月球晚期巖漿活動的成因是什么

對月球玄武巖進行精確定年后，接下來的問題就是，月球最晚期巖漿活動的成因究竟是什么？

文章主要作者之一、地質地球所研究員楊蔚介紹，目前科學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。“簡單地說，要么有熱源，要么是因為熔點低，更容易形成巖漿。放射性元素提供熱源是目前學術界的主流假說?！?/p>

但在此次的研究中，科學家取得了意料之外的結果。這里就要提到一種物質：克里普物質。

簡單地說，克里普物質是指富集鉀、稀土元素、磷等的物質，它們在地球化學上被稱為“不相容元素”，意為不容易進入到固體中的元素。是否富含克里普物質，從某種程度上可以反映火山活動的熱源從何而來。

研究發現，嫦娥五號玄武巖樣品具有富集克里普物質的特征。“我們的研究揭示這是由于巖漿經過大量礦物結晶分異后，殘余部分富集而來。這一結果排除了嫦娥五號著陸區巖石初始巖漿熔融熱源，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過程?！崩瞰I華介紹。

月球究竟有沒有“水”

月球上究竟有沒有水？在回答這個問題之前，首先要明確一個概念：這里說的“水”和日常生活中的“水”不是一個概念。

日常生活中說有沒有“水”，一般是指流動的液態水，或者固態的冰。李獻華解釋：“我們地質研究中所說的‘水往往是礦物中是不是含有水分子或羥基。一旦具備合適的條件，比如溫度上升、礦物分解，它們就可以變成水?！?/p>

在此次研究中，科研團隊利用地質地球所納米離子探針研發的分析技術，測定嫦娥五號玄武巖中的水含量和氫同位素組成，獲得月幔源區的水含量僅為1～5微克/克，也就是說月幔非?！案伞?。這一發現也排除了月幔初始熔融時因水含量高而具有低熔點的猜想。

這批由我國科學家主導獨立完成的嫦娥五號月球科研樣品研究成果，得到國際專家的高度評價，美國新墨西哥大學月球與行星科學研究所高級研究員查爾斯·席勒、卡內基研究所研究員理查德·加爾森等認為該系列成果“提供了迄今為止月球上確定的最年輕的玄武巖的證據”“改變了我們對月球的熱歷史和巖漿歷史的認識”“對我們認識月球起源和演化具有重要的意義”。

研究仍在繼續，月壤將繼續把月球的奧秘告訴我們。李獻華說：“這些成果解決了關于月球的一些疑問，但也對月球熱演化歷史提出了新的科學問題。例如，月球冷卻如此之慢的原因還并不清楚，需要全新的理論框架和演化模型，對未來的月球探測和研究提出了新的方向，我們的工作仍需努力?！?/p>