嫦娥五号月壤研究有重要发现

2021年7月12日,嫦娥五号任务第一批月球科研样品正式发放给国内13家科研机构,中国科学院取得了其中5克样品。3个月过去了,这5克月壤能告诉我们什么?

中国科学院10月19日发布嫦娥五号月球科研样品最新研究成果,多项突破性进展给出了对月球演化的全新认识。该系列研究由中科院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)和国家天文台主导,联合多家研究机构共同开展,相关成果形成4篇论文,在《国家科学评论》发表1篇,在国际学术期刊《自然》发表3篇。

月球何时丧失了“火力”

人们经常用“火力壮”来形容一个人具有生命活力。如果星球也有生命,那么岩浆活动,就是星球是否还有“火力”的表现。论文的通讯作者、地质地球所研究员李献华院士说:“地球如此有活力的原因之一,就是内部还有岩浆活动。但是月球已经丧失了生命力。那么,月球的岩浆活动是什么时候停止的呢?”

要研究已经喷发过的火山,是看岩浆活动的产物——玄武岩。对美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究已证实,月球的岩浆活动至少持续到大约28~30亿年前,古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了所见的“月海”。但是,对于这个问题,科学界一直存在争议。

嫦娥五号的着陆区是精心选择过的,“科学家曾以一种统计区域撞击坑的大小和数量的方法,推断嫦娥五号着陆区是月球最年轻玄武岩单元之一,这一区域的年龄为10~30亿年。”李献华介绍,在研究中,科研人员利用超高空间分辨率铀-铅(U-Pb)定年技术,对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物(斜锆石、钙钛锆石、静海石)进行分析,确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年——也就是说,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。

月球晚期岩浆活动的成因是什么

对月球玄武岩进行精确定年后,接下来的问题就是,月球最晚期岩浆活动的成因究竟是什么?

文章主要作者之一、地质地球所研究员杨蔚介绍,目前科学界存在两种可能的解释:岩浆中富含放射性元素以提供热源,或富含水以降低熔点。“简单地说,要么有热源,要么是因为熔点低,更容易形成岩浆。放射性元素提供热源是目前学术界的主流假说。”

但在此次的研究中,科学家取得了意料之外的结果。这里就要提到一种物质:克里普物质。

简单地说,克里普物质是指富集钾、稀土元素、磷等的物质,它们在地球化学上被称为“不相容元素”,意为不容易进入到固体中的元素。是否富含克里普物质,从某种程度上可以反映火山活动的热源从何而来。

研究发现,嫦娥五号玄武岩样品具有富集克里普物质的特征。“我们的研究揭示这是由于岩浆经过大量矿物结晶分异后,残余部分富集而来。这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源,来自放射性生热元素的主流假说,揭示了月球晚期岩浆活动过程。”李献华介绍。

月球究竟有没有“水”

月球上究竟有没有水?在回答这个问题之前,首先要明确一个概念:这里说的“水”和日常生活中的“水”不是一个概念。

日常生活中说有没有“水”,一般是指流动的液态水,或者固态的冰。李献华解释:“我们地质研究中所说的‘水’往往是矿物中是不是含有水分子或羟基。一旦具备合适的条件,比如温度上升、矿物分解,它们就可以变成水。”

在此次研究中,科研团队利用地质地球所纳米离子探针研发的分析技术,测定嫦娥五号玄武岩中的水含量和氢同位素组成,获得月幔源区的水含量仅为1~5微克/克,也就是说月幔非常“干”。这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点的猜想。

这批由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球科研样品研究成果,得到国际专家的高度评价,美国新墨西哥大学月球与行星科学研究所高级研究员查尔斯·席勒、卡内基研究所研究员理查德·加尔森等认为该系列成果“提供了迄今为止月球上确定的最年轻的玄武岩的证据”“改变了我们对月球的热历史和岩浆历史的认识”“对我们认识月球起源和演化具有重要的意义”。

研究仍在继续,月壤将继续把月球的奥秘告诉我们。李献华说:“这些成果解决了关于月球的一些疑问,但也对月球热演化历史提出了新的科学问题。例如,月球冷却如此之慢的原因还并不清楚,需要全新的理论框架和演化模型,对未来的月球探测和研究提出了新的方向,我们的工作仍需努力。”

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