20億年前玄武岩揭示月球演化奧秘

◎本報記者 陸成寬

月幔到底有多幹？月球上火山活動何時停止？曾經的岩漿活動如何維持？嫦娥五號月球樣品給出答案。

10月19日，中國科學院發佈嫦娥五號月球樣品最新研究成果。來自中科院地質地球所與國家天文台等單位的研究人員發現，嫦娥五號月球樣品為一類新的月海玄武岩，月球最“年輕”玄武岩年齡為20億年，其晚期岩漿活動的源區並不富集放射性元素，並且月幔源區幾乎沒有水。相關研究成果通過三篇《自然》論文和一篇《國家科學評論》論文在線發表。

這是首批由我國科學家主導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家的科研水平和創新能力。

月球岩漿活動停止時間晚了約8億—9億年

以往對美國、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28億至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，“對於月球岩漿活動停止的確切時間，科學界一直存在爭議。”中科院地質地球所研究員、中國科學院院士李獻華説。

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，對嫦娥五號月球樣品玄武岩岩屑中50餘顆富鈾礦物進行分析，確定玄武岩形成年齡約為20.3億年，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晚了約8億—9億年。”李獻華解釋道。

此前，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10億至30億年，這種方法存在着極大不確定性。

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

此外，研究中採用的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術也處於國際領先水平，為珍貴地外樣品年代學等研究提供了新的技術方法。

月球冷卻慢的兩種解釋都被排除

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

基於地質地球所研發的超高空間分辨率同位素分析技術，研究人員發現了意料之外的結果：嫦娥五號玄武岩初始熔融時並沒有捲入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質”，這幾種元素在地球化學上被稱為“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的特徵，是由於岩漿本身演化過程中經過大量礦物結晶固化後，殘餘部分富集而來。

對此，李獻華解釋道，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。

對於岩漿源區是否富含水，研究團隊利用地質地球所納米離子探針研發的分析技術，測定了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”。

研究指出，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，導致該區域岩漿活動持續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。

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。德國拜羅伊特大學教授奧德蕾·布維爾認為，這些結果非常令人振奮，為了解月球的形成和演化提供了驚人的科學成果；美國加州大學戴維斯分校教授尹慶柱表示，這是一個全球矚目，特別是在行星科學界廣泛關注、期待已久的重大成果。

中國科學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領域的科研人員，開展多學科交叉的優勢隊伍協同攻關，全面開展嫦娥五號月球科研樣品綜合分析和研究，於2021年5月正式設立重點部署項目“嫦娥五號任務月球科研樣品綜合研究”。

該項目以月球科研樣品的基礎物理特性、物質成分為研究對象，解構嫦娥五號月球科研樣品的特性信息。此次發表的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，基於中法兩國科學家在空間領域的長期友好合作基礎，中國科學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。未來中國科學院還將繼續加強與國際科技界在月球樣品研究方面的交流與合作。