嫦娥五號(hào)月壤研究有重要發(fā)現(xiàn)刷新月球演化傳統(tǒng)認(rèn)知

齊芳

2021年7月12日，嫦娥五號(hào)任務(wù)第一批月球科研樣品正式發(fā)放給國(guó)內(nèi)13家科研機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院取得了其中5克樣品。3個(gè)月過(guò)去了，這5克月壤能告訴我們什么？

中國(guó)科學(xué)院10月19日發(fā)布嫦娥五號(hào)月球科研樣品最新研究成果，多項(xiàng)突破性進(jìn)展給出了對(duì)月球演化的全新認(rèn)識(shí)。該系列研究由中科院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡(jiǎn)稱地質(zhì)地球所）和國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)，聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)共同開(kāi)展，相關(guān)成果形成4篇論文，在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》發(fā)表1篇，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表3篇。

月球何時(shí)喪失了“火力”

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

要研究已經(jīng)噴發(fā)過(guò)的火山，是看巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物——玄武巖。對(duì)美國(guó)、蘇聯(lián)的月球樣本和地球上月球隕石的研究已證實(shí)，月球的巖漿活動(dòng)至少持續(xù)到大約28～30億年前，古老的巖漿噴發(fā)活動(dòng)留下的黑色玄武巖形成了所見(jiàn)的“月?！薄５?，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)界一直存在爭(zhēng)議。

嫦娥五號(hào)的著陸區(qū)是精心選擇過(guò)的，“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，推斷嫦娥五號(hào)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10～30億年?！崩瞰I(xiàn)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(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(shuō)，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)停止時(shí)間延長(zhǎng)了約8億年。

月球晚期巖漿活動(dòng)的成因是什么

對(duì)月球玄武巖進(jìn)行精確定年后，接下來(lái)的問(wèn)題就是，月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因究竟是什么？

文章主要作者之一、地質(zhì)地球所研究員楊蔚介紹，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)?！昂?jiǎn)單地說(shuō)，要么有熱源，要么是因?yàn)槿埸c(diǎn)低，更容易形成巖漿。放射性元素提供熱源是目前學(xué)術(shù)界的主流假說(shuō)。”

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

簡(jiǎn)單地說(shuō)，克里普物質(zhì)是指富集鉀、稀土元素、磷等的物質(zhì)，它們?cè)诘厍蚧瘜W(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。是否富含克里普物質(zhì)，從某種程度上可以反映火山活動(dòng)的熱源從何而來(lái)。

研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)玄武巖樣品具有富集克里普物質(zhì)的特征?！拔覀兊难芯拷沂具@是由于巖漿經(jīng)過(guò)大量礦物結(jié)晶分異后，殘余部分富集而來(lái)。這一結(jié)果排除了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)巖石初始巖漿熔融熱源，來(lái)自放射性生熱元素的主流假說(shuō)，揭示了月球晚期巖漿活動(dòng)過(guò)程?！崩瞰I(xiàn)華介紹。

月球究竟有沒(méi)有“水”

月球上究竟有沒(méi)有水？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，首先要明確一個(gè)概念：這里說(shuō)的“水”和日常生活中的“水”不是一個(gè)概念。

日常生活中說(shuō)有沒(méi)有“水”，一般是指流動(dòng)的液態(tài)水，或者固態(tài)的冰。李獻(xiàn)華解釋：“我們地質(zhì)研究中所說(shuō)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(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)，測(cè)定嫦娥五號(hào)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?jī)H為1～5微克/克，也就是說(shuō)月幔非?！案伞薄＿@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)的猜想。

這批由我國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)獨(dú)立完成的嫦娥五號(hào)月球科研樣品研究成果，得到國(guó)際專家的高度評(píng)價(jià)，美國(guó)新墨西哥大學(xué)月球與行星科學(xué)研究所高級(jí)研究員查爾斯·席勒、卡內(nèi)基研究所研究員理查德·加爾森等認(rèn)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(jù)”“改變了我們對(duì)月球的熱歷史和巖漿歷史的認(rèn)識(shí)”“對(duì)我們認(rèn)識(shí)月球起源和演化具有重要的意義”。

研究仍在繼續(xù)，月壤將繼續(xù)把月球的奧秘告訴我們。李獻(xiàn)華說(shuō)：“這些成果解決了關(guān)于月球的一些疑問(wèn)，但也對(duì)月球熱演化歷史提出了新的科學(xué)問(wèn)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(duì)未來(lái)的月球探測(cè)和研究提出了新的方向，我們的工作仍需努力。”