The Innovation | Focus: 嫦娥五号月球样品改写月球演化历史

导 读

2020年12月，我国首次月球采样返回任务嫦娥五号着陆于月球风暴洋北部地区（51.92°W，43.06°N），并采集了1731g月球样品。2021年7月12日，嫦娥五号样品开始分发给国内科学家用于科学研究。以中国科学院地质与地球物理研究所及国家天文台为主的联合研究团队发现，嫦娥五号所采集的月海玄武岩喷发于20亿年前，并具有独特的化学组成。研究结果将月球火山活动的结束时间延长了约8亿年，揭开了月球最年轻火山活动的神秘面纱。相关成果以三文连发的形式在顶级期刊Nature发表。

图1 嫦娥五号月壤样品

根据初步的岩相学观察这些岩屑可以分为玄武质岩屑、凝结集块、角砾岩屑和玻璃等四种类型，其中，玄武质岩屑的结构类型丰富^[1]。研究团队对不同结构类型的玄武质岩屑开展了详细的年代学和地球化学研究。

最年轻的月球玄武岩（basalt）

在嫦娥五号之前，只有美国阿波罗计划和前苏联月球号返回过月球样品，而采样局限在月球正面的低纬度地区，所采集的最年轻玄武岩都形成于31.5亿年前，最年轻的月球陨石约形成于28亿年前（图2）。由于未能获取更年轻的月海玄武岩样品，月球火山活动结束的时间一直没有得到限定。

图2  嫦娥五号之前返回月球样品的年龄^[2]

嫦娥五号任务的主要科学目标就是在风暴洋北部采集年轻玄武岩并进行实验室分析。那么，科学家如何知道嫦娥五号着陆区域有年轻的玄武岩呢？事实上，他们使用了“撞击坑定年法”，通过统计行星表面单位面积内的撞击坑大小和数量，估算其形成时代。其原理是：行星表面较老的区域，累计遭受的撞击越多；反之，越年轻的区域，累积遭受的撞击越少。

通过“撞击坑定年法”，科学家推算嫦娥五号着陆区是月面最年轻的区域之一，形成于12-22亿年之间，远比美国阿波罗计划或苏联Luna计划发现的月海玄武岩年轻。

科学家如何进一步精确测定嫦娥五号样品的年龄呢？他们对嫦娥五号样品中47块玄武岩岩屑中的50多颗直径3微米以上的代表性定年矿物（斜锆石、钙钛锆石、静海石）进行了超高空间分辨率放射性同位素测定（图3）。通过铀-铅体系的衰变关系得到了矿物颗粒的年龄，最终经统计分析给出嫦娥五号玄武岩的年龄为20.30 ± 0.04 亿年。年龄的精度好于以往的研究，更为重要的是，这个年龄比之前获得的最年轻月球样品还要年轻8亿年以上，标示着嫦娥五号任务的科学目标得到圆满实现，所取得的样品重新改写了对月球演化的认识。

图3 嫦娥五号岩石碎屑主要矿物^[3]

回头再看“撞击坑定年法”，此前不同研究者通过该方法得到的嫦娥五号着陆区岩石年龄相差很大，最主要的原因是撞击坑年代学曲线在10到30亿之间没有定标点（图4）。本研究及Che的研究^[4]获得的嫦娥五号玄武岩年龄弥补了这一时间段的空白，为撞击坑年代学曲线在20亿年提供了关键锚点，将极大提高“撞击坑定年法”的精度，为未来研究太阳系其他行星表面年龄打下扎实基础。

图4 嫦娥五号样品年龄校正月球年代学曲线^[3]

失踪的“克里普（KREEP）”

嫦娥五号玄武岩喷发于20亿年前，也为我们提出了新的问题：为什么月球火山活动能够持续如此之久？由于月球直径比地球小得多，质量也只有地球的约1%，理论上早应该停止了火山活动。

主流假说认为，月球年轻的玄武岩与放射性生热元素“克里普”有关，因为月球最年轻的玄武岩主要分布在一个叫“克里普地体”的特殊区域（图5）。克里普地体因富含钾（K）、稀土（REE）、磷（P）（缩写KREEP，即克里普）等不相容元素而得名，包括铀、钍等放射性生热元素。但“克里普”放射性生热导致月球最年轻火山活动的假说，从未得到验证。

图5 月海玄武岩与钍含量分布图^[5]。红色代表嫦娥五号着陆点，青色和蓝色分别代表阿波罗和月球号任务着陆点。左图暖色区域是年轻玄武岩分布地区，与钍元素分布具有很强相关性。

科学家分析了嫦娥五号月壤样品的锶、钕、铅同位素组成。结果表明：嫦娥五号玄武岩具有非常亏损的锶-钕同位素组成和低的铀/铅比值，与克里普岩具有的富集同位素特征形成鲜明对比（图6）。这一发现意味着嫦娥五号年轻玄武岩并非来自“克里普”的贡献，进而排除了“克里普”中放射性生热元素维持月球长期火山活动的主流假说。

图6. 嫦娥五号玄武岩锶和钕同位素结果^[6]，玄武岩锶和钕同位素（红色）与克里普（绿色）有显著的差异

干燥的月幔（mantle）

一直以来科学家们都认为月球是一个几乎不含水，近乎干透了的星球。随着对月球样品研究和遥感探测的逐渐深入，这一认识逐渐发生了改变。首先，通过遥感探测发现月球表面水并不罕见，尤其是在火山碎屑堆积地区及月球南北两极（图7）。其次，美国科学家Saal等分析了阿波罗任务所采集的火山玻璃并估算出岩浆中的水含量高达745 ppm，证明月球深部并不贫水。其他研究人员也进行了类似研究，估算出月球的内部水含量差异达2个数量级。月球内部到底是“干”或“湿”，成了月球探测首先要解决的关键科学问题。那么嫦娥五号玄武岩样品的源区是否富集水呢？如果富集水的话，那么这些水是不是能降低源区物质的熔点，导致月幔更容易发生熔融？

图7 月球正面“克里普地体”表面水含量^[7]

为了解决这些问题，中国科学院地质与地球物理研究所科学家使用纳米离子探针测定了嫦娥五号样品中的包裹体及磷灰石的水和氢同位素组成。研究表明：嫦娥五号样品中岩浆包裹体（代表原始岩浆）水含量约为280 ppm，与基于嫦娥五号玄武岩全岩推算的原始岩浆水含量一致。我们知道月海玄武岩是月幔经部分熔融产生的，水在岩石熔融过程中更倾向于进入岩浆中。这个过程使水在岩浆中的含量提高了约200倍，据此估算的月幔源区的水含量仅为1-5ppm，比阿波罗月岩和月球陨石估算的月幔水含量都要低（图8），说明嫦娥五号玄武岩的月幔源区非常“干”。这个研究排除了月球长期火山活动的另外一种可能性，即源区富含水导致的熔点降低。

图8 月球内部水含量随时间演化^[8]。嫦娥五号玄武岩月幔源区水含量的不超过1-5 ppm，明显低于以前报道的月幔水含量。

总结和展望

嫦娥五号玄武岩样品是迄今为止人类采回的最年轻月球玄武岩，比以往返回的月球玄武岩至少年轻8亿年。新的年龄解决了月球上是否存在年轻玄武岩这一月球研究重大问题，并对撞击坑年代学曲线的标定具有重要意义。然而一个问题的解决却带来了更多新的问题。对嫦娥五号玄武岩的矿物学和地球化学研究发现其源区并不富集克里普等放射性生热元素，也不富集水，那么到底是什么机制产生了这么多如此年轻的岩浆呢？这是未来月球研究需要解决的重大科学问题，也是我国未来月球探测可以瞄准的关键科学目标。

   参考文献

1. Li, C., et al. 2021. Characteristics of the lunar samples returned by Chang’E-5 mission. National Science Review

2. Tartèse, R., et al. 2019. Constraining the Evolutionary History of the Moon and the Inner Solar System: A Case for New Returned Lunar Samples. Space Science Reviews

3. Li, Q. L., et al. 2021. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature

4. X. Che., et al. 2021. Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5. Science

5. Yang, W. and Y. Lin. 2021. New lunar samples returned by Chang’E-5: Opportunities for new discoveries and international collaboration. The Innovation

6. Tian, H. C., et al. 2021. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature

7. Milliken, R. E. and S. Li. 2017. Remote detection of widespread indigenous water in lunar pyroclastic deposits. Nature Geoscience

8. Hu. S., et al. 2021. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5. Nature

作者简介

肖龙，中国地质大学（武汉）教授，主要从事行星地质与比较行星学的教学、科研和科普工作。在嫦娥三号、四号和五号着陆区地质及科学数据研究，月球火山地质活动，火星地质与环境演化，行星类比研究等领域取得了系列创新认识和成果。主编出版了《行星地质学》等教材和中英文专著与科普图书7部，在Science、Nature和Science China等学术期刊发表论文180余篇。

徐义刚，中国科学院广州地球化学研究所研究员，同位素地球化学国家重点实验室主任，中国科学院院士，AGU 会士，GSA会士，第一届月球样品专家委员会成员。主要从事地幔岩石学、地球化学和深地科学研究。在克拉通破坏、大火成岩省与地幔柱、东亚大地幔楔等方向取得创新认识。发表SCI论文260余篇，入选2020年全球前2%顶级科学家榜单和中国TOP 200榜单，获国家自然科学二等奖、孙贤鉥奖、李四光奖等。

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