月幔到底有多干？20億年前玄武巖揭示月球演化奧秘

月幔到底有多干?月球上火山活動(dòng)何時(shí)停止?曾經(jīng)的巖漿活動(dòng)如何維持?嫦娥五號(hào)月球樣品給出答案。

10月19日，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布嫦娥五號(hào)月球樣品最新研究成果。來(lái)自中科院地質(zhì)地球所與國(guó)家天文臺(tái)等單位的研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)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，其晚期巖漿活動(dòng)的源區(qū)并不富集放射性元素，并且月幔源區(qū)幾乎沒(méi)有水。相關(guān)研究成果通過(guò)三篇《自然》論文和一篇《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》論文在線發(fā)表。

這是首批由我國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)獨(dú)立完成的嫦娥五號(hào)月球樣品研究成果，充分彰顯出中國(guó)科學(xué)家的科研水平和創(chuàng)新能力。

月球巖漿活動(dòng)停止時(shí)間晚了約8億—9億年

以往對(duì)美國(guó)、蘇聯(lián)的月球樣本和地球上月球隕石的研究已證實(shí)，月球的巖漿活動(dòng)至少持續(xù)到大約28億至30億年前，古老的巖漿噴發(fā)活動(dòng)留下的黑色玄武巖形成了所見(jiàn)的“月海”。

但是，“對(duì)于月球巖漿活動(dòng)停止的確切時(shí)間，科學(xué)界一直存在爭(zhēng)議。”中科院地質(zhì)地球所研究員、中國(guó)科學(xué)院院士李獻(xiàn)華說(shuō)。

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(shù)，對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物進(jìn)行分析，確定玄武巖形成年齡約為20.3億年，證實(shí)月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年。

“也就是說(shuō)，月球直到20億年前仍存在巖漿活動(dòng)，比以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)停止時(shí)間晚了約8億—9億年。”李獻(xiàn)華解釋道。

此前，科學(xué)家曾以一種統(tǒng)計(jì)區(qū)域撞擊坑的大小和數(shù)量的方法，推斷嫦娥五號(hào)著陸區(qū)是月球最年輕玄武巖單元之一，這一區(qū)域的年齡為10億至30億年，這種方法存在著極大不確定性。

李獻(xiàn)華表示，此次嫦娥五號(hào)玄武巖的精確年代測(cè)定為撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年曲線提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)，將大幅提高內(nèi)太陽(yáng)系星體表面的撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年精度。

此外，研究中采用的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術(shù)也處于國(guó)際領(lǐng)先水平，為珍貴地外樣品年代學(xué)等研究提供了新的技術(shù)方法。

月球冷卻慢的兩種解釋都被排除

與此同時(shí)，為什么月球冷卻如此之慢，月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因一直是未解之謎。李獻(xiàn)華說(shuō)，目前科學(xué)界存在兩種可能的解釋：巖漿源區(qū)中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低月幔熔點(diǎn)。

基于地質(zhì)地球所研發(fā)的超高空間分辨率同位素分析技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了意料之外的結(jié)果：嫦娥五號(hào)玄武巖初始熔融時(shí)并沒(méi)有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”，這幾種元素在地球化學(xué)上被稱為“不相容元素”，意為不容易進(jìn)入固體中的元素，嫦娥五號(hào)樣品富集克里普物質(zhì)的特征，是由于巖漿本身演化過(guò)程中經(jīng)過(guò)大量礦物結(jié)晶固化后，殘余部分富集而來(lái)。

對(duì)此，李獻(xiàn)華解釋道，這一結(jié)果排除了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)巖石初始巖漿熔融熱源來(lái)自放射性生熱元素的主流假說(shuō)，揭示了月球晚期巖漿活動(dòng)過(guò)程。

對(duì)于巖漿源區(qū)是否富含水，研究團(tuán)隊(duì)利用地質(zhì)地球所納米離子探針研發(fā)的分析技術(shù)，測(cè)定了嫦娥五號(hào)玄武巖中的水含量和氫同位素組成，獲得月幔源區(qū)的水含量?jī)H為1—5微克/克，也就是說(shuō)月幔非常“干”。

研究指出，這一發(fā)現(xiàn)也排除了月幔初始熔融時(shí)因水含量高而具有低熔點(diǎn)，導(dǎo)致該區(qū)域巖漿活動(dòng)持續(xù)時(shí)間異常延長(zhǎng)的猜想。

李獻(xiàn)華表示，月球冷卻如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理論框架和演化模型，對(duì)未來(lái)的月球探測(cè)和研究提出了新的方向。

加強(qiáng)月球樣品研究的國(guó)際合作

這些成果得到國(guó)際專家的高度評(píng)價(jià)。德國(guó)拜羅伊特大學(xué)教授奧德蕾·布維爾認(rèn)為，這些結(jié)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(xué)成果;美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校教授尹慶柱表示，這是一個(gè)全球矚目，特別是在行星科學(xué)界廣泛關(guān)注、期待已久的重大成果。

中國(guó)科學(xué)院高度重視月球科研樣品研究工作，第一時(shí)間組織全院月球和行星科學(xué)領(lǐng)域的科研人員，開(kāi)展多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)隊(duì)伍協(xié)同攻關(guān)，全面開(kāi)展嫦娥五號(hào)月球科研樣品綜合分析和研究，于2021年5月正式設(shè)立重點(diǎn)部署項(xiàng)目“嫦娥五號(hào)任務(wù)月球科研樣品綜合研究”。

該項(xiàng)目以月球科研樣品的基礎(chǔ)物理特性、物質(zhì)成分為研究對(duì)象，解構(gòu)嫦娥五號(hào)月球科研樣品的特性信息。此次發(fā)表的4篇文章，是該項(xiàng)目取得的首批研究成果。

此外，中國(guó)科學(xué)院還積極推動(dòng)嫦娥五號(hào)月球科研樣品分析研究的國(guó)際合作交流。目前，基于中法兩國(guó)科學(xué)家在空間領(lǐng)域的長(zhǎng)期友好合作基礎(chǔ)，中國(guó)科學(xué)院和法國(guó)空間研究中心以及法國(guó)科研中心在月球樣品合作研究方面已經(jīng)初步達(dá)成共識(shí)，雙方將以人員交流和共同研究項(xiàng)目的形式開(kāi)展互補(bǔ)合作。未來(lái)中國(guó)科學(xué)院還將繼續(xù)加強(qiáng)與國(guó)際科技界在月球樣品研究方面的交流與合作。(記者陸成寬)

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