嫦娥五號首批樣品中隱藏的月球密碼

2020年12月，我國首次月球采樣返回任務(wù)——嫦娥五號，在月球正面的風(fēng)暴洋北部一舉成功返回了1731克樣品。這是繼1976年蘇聯(lián)“月球（Luna）24號”最后一次月球采樣任務(wù)44年之后再次返回月球樣品，也是人類首次在月表最年輕火山巖區(qū)進行采樣。那么嫦娥五號首批月球樣品為我們揭示了哪些重大科學(xué)問題呢？

月球迄今最年輕的火山活動記錄

如果把火山活動產(chǎn)生的巖漿比喻為一顆星球的“血液”，那么“血液”最后一次流動的時間代表星球的地質(zhì)壽命結(jié)束的時間。地球體積大能量足，至今依然有火山活動?；鹦牵ㄖ睆郊s為地球的一半）在2億年前停止火山活動，成為一顆死亡星球。月球（直徑約為火星的一半）是何時死亡的一直是科學(xué)家們關(guān)心的問題。

精準(zhǔn)的放射性同位素定年結(jié)果顯示，美國Apollo和蘇聯(lián)Luna返回樣品的年齡大于30億年，月球隕石的年齡大于28億年。中國科學(xué)家對嫦娥五號首批月球樣品的47塊不同結(jié)構(gòu)的玄武巖碎屑進行了分析統(tǒng)計，利用自主研發(fā)的超高空間分辨率鈾（U）-鉛（Pb）定年技術(shù)，對3微米以上的51顆含鋯礦物（斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石等）進行了離子探針分析，最終得到了一個精確的年齡：20.30±0.04億年。這一發(fā)現(xiàn)將月球最年輕的玄武巖樣品年齡更新為20億年前，意味著月球“血液”流動的時間（即月球的地質(zhì)壽命）延長了8 - 9億年。

地球、火星和月球（等比例）直徑大小與火山活動持續(xù)時間對比，可以看出，星球體積越小，地質(zhì)壽命越短 ? 圖源：紫金山天文臺

類地行星撞擊坑統(tǒng)計定年關(guān)鍵錨點

月球是一部太陽系45億年的行星暴力史書，完整地記錄并保留了整個歷史時期的小行星撞擊事件。通常來說，月球上地質(zhì)單元的年齡關(guān)系簡單地遵循疊加定律：上層的巖石更年輕，下層的巖石更古老。另外，小行星撞擊月表是隨機發(fā)生的，所以理論上任何一塊月面被撞擊的幾率都是相等的。更古老的地區(qū)，會積累更多的撞擊坑，由此形成了一種利用撞擊坑分布密度估算行星的表面年齡的方法——撞擊坑統(tǒng)計定年法。

得益于美國6次阿波羅計劃（返回樣品381.69 kg）和蘇聯(lián)3次月球計劃（321 g），科學(xué)家們用返回樣品的絕對年齡將相應(yīng)的地質(zhì)單元進行標(biāo)定，建立了撞擊坑統(tǒng)計定年曲線。然而，由于缺乏年輕的月球樣品，定年曲線在10-30億之間沒有定標(biāo)點。嫦娥五號樣品正好填補了這一空白，為這條定年曲線在20億年處提供了一個關(guān)鍵錨點，極大地提高了撞擊坑統(tǒng)計定年方法的精度。這不僅可以幫助科學(xué)家更好地確定月球表面其他地區(qū)的地質(zhì)年齡，還可以用來確定水星、金星、火星和小行星等類地行星表面的地質(zhì)年齡。

嫦娥五號樣品在月球撞擊坑統(tǒng)計定年曲線上提供了關(guān)鍵錨點 ? 圖源：修改自文獻[2]

月幔真的很“干”

目前大量觀測事實認(rèn)為，月球起源于一次大碰撞，由碰撞拋射出去的高溫巖漿和氣體冷凝而成。經(jīng)此過程，水等揮發(fā)成分大量丟失，因此理論上月球應(yīng)該是一個很“干”的星球。然而，不同科學(xué)團隊估算的月幔水含量從無水（“Bone Dry”）到富水（高達200微克/克），變化達兩個數(shù)量級，導(dǎo)致月球的“干”“濕”之爭持續(xù)了幾十年。

嫦娥五號返回樣品作為迄今為止最年輕的玄武巖，地質(zhì)背景清晰，經(jīng)歷的后期改造（如小行星和彗星撞擊、太陽風(fēng)粒子注入等）最少，是回答這一問題的絕佳對象?？茖W(xué)家利用高空間分辨率納米離子探針，分析了礦物和熔體包裹體的水含量和氫同位素組成，估算嫦娥五號樣品的月幔源區(qū)的水含量僅為1-5微克/克，表明月幔非常之“干”。

月球內(nèi)部的水含量隨時間分布。嫦娥五號樣品結(jié)果顯示，月幔明顯低于前人估算的水含量 ? 圖源：修改自文獻[1]

嫦娥五號巖漿源區(qū)未見克里普組分

月球形成之初，曾被深達數(shù)百公里的巖漿洋覆蓋。隨著溫度降低，巖漿開始固化，形成巖石。當(dāng)巖漿洋結(jié)晶程度達到約98%時，不相容元素（不喜歡進入固體,而喜歡進入熔體的元素）在殘余熔體中高度濃縮，最終在月殼和月幔之間形成一個薄薄的克里普巖（縮寫KREEP音譯，因富集鉀K、稀土元素REE和磷P而得名）夾層。克里普巖富含放射性生熱元素如：鈾（U）、釷（Th）和鉀（K）。

遙感探測數(shù)據(jù)顯示，月表最年輕的火山活動主要分布在月球正面一個叫風(fēng)暴洋克里普地體的地方（就是月球正面的“桂花樹”所在地），那里也是全月表最富集釷的地方。因此，長期以來，克里普組分中的放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量被認(rèn)為是維持月球長時間火山活動的主要能量來源。然而，高精度的鍶（Sr）、釹（Nd）、鉛（Pb）同位素結(jié)果顯示，嫦娥五號的月幔源區(qū)與克里普巖的特征相去甚遠。

月球正面玄武巖與釷（Th）含量分布圖。A代表美國阿波羅（Apollo）任務(wù)采樣點，L代表蘇聯(lián)月球（Luna）任務(wù)采樣點 ? 圖源：修改自文獻[6]

月球最年輕火山活動的熱源成謎

嫦娥五號返回樣品的首批科研成果大大地刷新了我們此前對月球火山活動的認(rèn)知，同時對月球熱演化歷史也發(fā)出追問。月球的直徑不到地球的1/3，對于具有如此大表面積/體積比的星球來說，它本應(yīng)該迅速冷卻，早早地結(jié)束地質(zhì)生命，停止巖漿活動。為什么月球的火山活動可以持續(xù)到20億年前這么晚？

此前科學(xué)界存在兩種可能的猜測：月幔巖石中富含放射性生熱元素以提供熱源，或者月幔富含水以降低巖石熔點，這樣就不需要大量熱量也可以產(chǎn)生巖漿。然而，嫦娥五號源區(qū)既沒有克里普組分加入，也不含水，這意味著我們也許需要一個全新的理論框架或熱演化模型來揭開月球保持地質(zhì)“長壽”的秘密。

嫦娥五號著陸區(qū)可能存在多期火山活動

月海玄武巖主要分布在月球的盆地中，且以月球正面居多，可能是100至400公里深處的月幔部分熔融形成的。和地球上的同類巖石相比，它具有較高且變化較大的TiO?含量，從 0.2到 16.5 wt.%，相差達到約80倍。這樣大的成分變化范圍不僅反映了月幔深處堆晶巖分布的不均一性，也反映了月球巖漿過程的高度復(fù)雜性。因此通過不同類型的月海玄武巖，可以研究月球深部物質(zhì)成分、巖漿過程隨時間和空間的演化。

一種相對罕見的高鈦月海玄武巖（編號CE5C0000YJYX065） ? 圖源：紫金山天文臺[7]

2021年7月12日，中國科學(xué)院紫金山天文臺首批申請獲得了兩塊嫦娥五號月球玄武巖樣品。利用高分辨率顯微CT、掃描電鏡、電子探針等技術(shù)對其中一個樣品（編號CE5C0000YJYX065）開展了詳細的礦物化學(xué)和三維斷層成像研究。多項證據(jù)表明，不同于目前已報道的嫦娥五號中鈦和低鈦月海玄武巖類型，CE5C0000YJYX065是一種相對罕見的高鈦月海玄武巖，這表明嫦娥五號著陸區(qū)歷史上可能曾經(jīng)發(fā)生過多次火山噴發(fā)活動，將有望解讀月幔源區(qū)不同物質(zhì)成分和月球晚期火山活動的精細時空分布規(guī)律。

月壤樣品的CT視頻 ? 圖源：紫金山天文臺

參考文獻：

[1] Hu et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9.

[2] Li et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2.

[3] Tian et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5.

[4] Li et al., National Science Review, 2021. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188.

[5] Che et al., Science, 2021. https://doi.org/10.1126/science.abl7957.

[6] Yang and Lin, The Innovation, 2021. https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100070.

[7] Jiang et al., Science Bulletin, 2021. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.006.

作者簡介

蔣 云

中國科學(xué)院紫金山天文臺天體化學(xué)和行星科學(xué)實驗室副研究員。研究方向：月球、火星及小行星隕石的巖石礦物學(xué)、同位素地球化學(xué)及年代學(xué)。

輪值主編：季江徽、陳學(xué)鵬

編輯：王科超