嫦娥五號月壤研究有重要發現

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麼？

中國科學院10月19日發佈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）和國家天文台主導，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，那麼岩漿活動，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説：“地球如此有活力的原因之一，就是內部還有岩漿活動。但是月球已經喪失了生命力。那麼，月球的岩漿活動是什麼時候停止的呢？”

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

嫦娥五號的着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，推斷嫦娥五號着陸區是月球最年輕玄武岩單元之一，這一區域的年齡為10~30億年。”李獻華介紹，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岩岩屑中50餘顆富鈾礦物（斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石）進行分析，確定玄武岩形成年齡為20.30±0.04億年，證實月球最“年輕”玄武岩年齡為20億年——也就是説，月球直到20億年前仍存在岩漿活動，比以往月球樣品限定的岩漿活動停止時間延長了約8億年。

月球晚期岩漿活動的成因是什麼

對月球玄武岩進行精確定年後，接下來的問題就是，月球最晚期岩漿活動的成因究竟是什麼？

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：岩漿中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低熔點。“簡單地説，要麼有熱源，要麼是因為熔點低，更容易形成岩漿。放射性元素提供熱源是目前學術界的主流假説。”

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

簡單地説，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，嫦娥五號玄武岩樣品具有富集克里普物質的特徵。“我們的研究揭示這是由於岩漿經過大量礦物結晶分異後，殘餘部分富集而來。這一結果排除了嫦娥五號着陸區岩石初始岩漿熔融熱源，來自放射性生熱元素的主流假説，揭示了月球晚期岩漿活動過程。”李獻華介紹。

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：這裏説的“水”和日常生活中的“水”不是一個概念。

日常生活中説有沒有“水”，一般是指流動的液態水，或者固態的冰。李獻華解釋：“我們地質研究中所説的‘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，比如温度上升、礦物分解，它們就可以變成水。”

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，測定嫦娥五號玄武岩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，也就是説月幔非常“幹”。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岩的證據”“改變了我們對月球的熱歷史和岩漿歷史的認識”“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。李獻華説：“這些成果解決了關於月球的一些疑問，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並不清楚，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。”