月幔到底有多干？20億年前玄武巖揭示月球演化奧秘

月幔到底有多干?月球上火山活動何時停止?曾經(jīng)的巖漿活動如何維持?嫦娥五號月球樣品給出答案。

10月19日，中國科學(xué)院發(fā)布嫦娥五號月球樣品最新研究成果。來自中科院地質(zhì)地球所與國家天文臺等單位的研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號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，其晚期巖漿活動的源區(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)研究成果通過三篇《自然》論文和一篇《國家科學(xué)評論》論文在線發(fā)表。

這是首批由我國科學(xué)家主導(dǎo)獨立完成的嫦娥五號月球樣品研究成果，充分彰顯出中國科學(xué)家的科研水平和創(chuàng)新能力。

月球巖漿活動停止時間晚了約8億—9億年

以往對美國、蘇聯(lián)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(xù)到大約28億至30億年前，古老的巖漿噴發(fā)活動留下的黑色玄武巖形成了所見的“月海”。

但是，“對于月球巖漿活動停止的確切時間，科學(xué)界一直存在爭議。”中科院地質(zhì)地球所研究員、中國科學(xué)院院士李獻華說。

在最新的研究中，研究人員利用超高空間分辨率鈾-鉛(U-Pb)定年技術(shù)，對嫦娥五號月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物進行分析，確定玄武巖形成年齡約為20.3億年，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晚了約8億—9億年。”李獻華解釋道。

此前，科學(xué)家曾以一種統(tǒng)計區(qū)域撞擊坑的大小和數(shù)量的方法，推斷嫦娥五號著陸區(qū)是月球最年輕玄武巖單元之一，這一區(qū)域的年齡為10億至30億年，這種方法存在著極大不確定性。

李獻華表示，此次嫦娥五號玄武巖的精確年代測定為撞擊坑統(tǒng)計定年曲線提供了關(guān)鍵錨點，將大幅提高內(nèi)太陽系星體表面的撞擊坑統(tǒng)計定年精度。

此外，研究中采用的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術(shù)也處于國際領(lǐng)先水平，為珍貴地外樣品年代學(xué)等研究提供了新的技術(shù)方法。

月球冷卻慢的兩種解釋都被排除

與此同時，為什么月球冷卻如此之慢，月球最晚期巖漿活動的成因一直是未解之謎。李獻華說，目前科學(xué)界存在兩種可能的解釋：巖漿源區(qū)中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低月幔熔點。

基于地質(zhì)地球所研發(fā)的超高空間分辨率同位素分析技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了意料之外的結(jié)果：嫦娥五號玄武巖初始熔融時并沒有卷入富集鉀、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”，意為不容易進入固體中的元素，嫦娥五號樣品富集克里普物質(zhì)的特征，是由于巖漿本身演化過程中經(jīng)過大量礦物結(jié)晶固化后，殘余部分富集而來。

對此，李獻華解釋道，這一結(jié)果排除了嫦娥五號著陸區(qū)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。

對于巖漿源區(qū)是否富含水，研究團隊利用地質(zhì)地球所納米離子探針研發(fā)的分析技術(shù)，測定了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(qū)的水含量僅為1—5微克/克，也就是說月幔非常“干”。

研究指出，這一發(fā)現(xiàn)也排除了月幔初始熔融時因水含量高而具有低熔點，導(dǎo)致該區(qū)域巖漿活動持續(xù)時間異常延長的猜想。

李獻華表示，月球冷卻如此之慢的原因并不清楚，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。

加強月球樣品研究的國際合作

這些成果得到國際專家的高度評價。德國拜羅伊特大學(xué)教授奧德蕾·布維爾認為，這些結(jié)果非常令人振奮，為了解月球的形成和演化提供了驚人的科學(xué)成果;美國加州大學(xué)戴維斯分校教授尹慶柱表示，這是一個全球矚目，特別是在行星科學(xué)界廣泛關(guān)注、期待已久的重大成果。

中國科學(xué)院高度重視月球科研樣品研究工作，第一時間組織全院月球和行星科學(xué)領(lǐng)域的科研人員，開展多學(xué)科交叉的優(yōu)勢隊伍協(xié)同攻關(guān)，全面開展嫦娥五號月球科研樣品綜合分析和研究，于2021年5月正式設(shè)立重點部署項目“嫦娥五號任務(wù)月球科研樣品綜合研究”。

該項目以月球科研樣品的基礎(chǔ)物理特性、物質(zhì)成分為研究對象，解構(gòu)嫦娥五號月球科研樣品的特性信息。此次發(fā)表的4篇文章，是該項目取得的首批研究成果。

此外，中國科學(xué)院還積極推動嫦娥五號月球科研樣品分析研究的國際合作交流。目前，基于中法兩國科學(xué)家在空間領(lǐng)域的長期友好合作基礎(chǔ)，中國科學(xué)院和法國空間研究中心以及法國科研中心在月球樣品合作研究方面已經(jīng)初步達成共識，雙方將以人員交流和共同研究項目的形式開展互補合作。未來中國科學(xué)院還將繼續(xù)加強與國際科技界在月球樣品研究方面的交流與合作。(記者陸成寬)

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