嫦娥五號月壤樣品。 中國科學院供圖
月球上火山活動何時停止？曾經的巖漿活動如何維持？月球內部有多少水？19日，中國科學院發布了嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果，對上述問題進行了解答。研究證明，嫦娥五號月球樣品為一類新的月海玄武巖，月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年，比以往月球樣品限定的巖漿活動時間延長了約8億年，其晚期巖漿活動的源區并不富集放射性元素，并且月幔源區幾乎沒有水。
相關研究成果于北京時間10月15日和19日分別發表在《國家科學評論》和《自然》上。
月球直到20億年前仍存在巖漿活動
2020年12月17日，嫦娥五號樣品艙成功著陸內蒙古四子王旗，帶回了1731克月球樣品，這是我國首次完成地外天體樣品采集，也是人類44年來再次取回新的月球樣品。
月球玄武巖是月幔部分熔融形成的巖漿經過火山噴發至月表冷卻結晶形成的巖石。火山活動是月球具有內動力的表現，火山活動停止表明月球失去了內動力，也就意味著地質意義上的“死亡”。因此，研究火山巖可以揭示月球化學組成和熱演化歷史。
此前的月球樣本和地球上月球隕石研究已證實，月球的生命特征——巖漿活動至少持續到28億至30億年前，古老的巖漿噴發活動留下的黑色玄武巖形成了所見的“月海”。但是，對于月球最晚期巖漿活動的成因和巖漿活動停止的確切時間等問題，科學界一直存在爭議。
圍繞上述問題，中科院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）和國家天文臺主導，聯合多家研究機構團隊對嫦娥五號月壤樣品中的玄武巖巖屑進行了年代學和巖石地球化學研究。
嫦娥五號這次在月球上的著陸點位于風暴洋西北處呂姆克山附近，遠離人類以前的采樣點。中科院院士、地質地球所研究員李獻華說：“嫦娥五號著陸區是月球最年輕玄武巖單元之一，過去科學家曾以一種統計區域撞擊坑的大小和數量的方法，推斷這一區域的年齡為10億至30億年。但是這種方法存在著極大的不確定性。”
在這次最新的研究中，科研人員利用超高空間分辨鈾—鉛（U—Pb）定年技術，對嫦娥五號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）進行分析，確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，證實月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年。也就是說，月球直到20億年前仍存在巖漿活動，比以往月球樣品限定的巖漿活動延長了約8億年。
“此次嫦娥五號月球樣品玄武巖的精確年代學數據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。”李獻華說。
月幔非常“干”，水含量僅為1—5微克/克
2021年7月12日，國家航天局在中科院國家天文臺舉行嫦娥五號任務第一批月球科研樣品發放儀式，國內共有13家科研機構獲得樣品，其中，地質地球所等7家院屬單位參與了此項工作。
團隊科研人員拿到嫦娥五號月球樣品后，第一時間就對其進行了地球化學分析。
李獻華說：“我們分析發現，嫦娥五號月球樣品的特性和阿波羅飛船月球樣品基本上是一樣的，但是粒度更細一點，均值是49.8微米。這是什么概念呢？我們的面粉粒度均值是75微米左右，也就是說月壤摸起來比面粉手感還要細膩一些。”
科研人員還發現，嫦娥五號月球樣品中的玄武巖鐵含量非常高，鎂含量非常低，這是一種全新的類型，且來自于同一次的巖漿噴發事件。
除了月球巖漿活動停止的確切時間外，月球最晚期巖漿活動的成因也一直是未解之謎。目前科學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。
最新研究基于地質地球所研發的超高空間分辨同位素分析技術，取得了意料之外的結果：嫦娥五號月球樣品玄武巖初始熔融時并沒有卷入富集鉀、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”，意為不容易進入到固體中的元素）。
李獻華說：“嫦娥五號月球樣品富集‘克里普物質’的特征，是由于巖漿后期經過大量礦物結晶固化后，殘余部分富集而來。這一結果否定了初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期巖漿活動過程。”
對于巖漿是否富含水，科研團隊利用地質地球所納米離子探針研發的分析技術，計算了嫦娥五號月球樣品玄武巖中的水含量和氫同位素組成，獲得月幔的水含量僅為1—5微克/克，也就是說月幔非常的“干”。
科研人員指出，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，導致該區域巖漿活動持續時間異常延長的猜想。
未來月球的探測和研究有了新方向
專家表示，新的研究成果為未來月球的探測和研究開辟了新的方向。“過去認為月球差不多在30億年到28億年前就停止了巖漿活動，我們的最新研究確定在20億年前月球仍存在巖漿活動。那么為什么會有巖漿活動？過去認為，可能是這個地區的放射性元素非常高，或者是富含水，我們的研究也證實并不是這兩個原因。看來，我們應該重新思考月球的地球化學和熱演化的理論和模型。”李獻華說。
該系列成果作為中國人全面主導的原創性工作，得到國際專家的高度評價。
德國拜羅伊特大學教授、國際知名行星科學家奧德蕾·布維爾說：“精確的年代學研究結果表明，嫦娥五號月球樣品玄武巖形成于20億年前，比以往認為月球巖漿活動停止時間晚了近10億年。這些研究結果也為月球年輕巖漿活動的成因提出了新的問題和研究方向。”
“迄今為止，月球歷史上在30億年前到10億年前之間到底有沒有巖漿活動，火山噴發的數據記錄是一片空白，中國科學家發表的嫦娥五號月球樣品研究填補了這項空白。”美國加州大學戴維斯分校教授、國際知名同位素地球化學和宇宙化學家尹慶柱認為，這一重大發現對于太陽系行星表面隕石坑撞擊年齡的絕對標定，以及對于進一步研究月球的熱歷史演化都具有非常重要的意義。
中科院副院長周琪透露：“中科院也在積極推動月球樣本研究的國際合作，中科院與法國科研中心在月球樣本合作領域方面已達成初步共識。”
《 人民日報 》（ 2021年10月20日 12 版）
