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月球月幔中既沒有放射性生熱元素亦沒有大量水的存在

發(fā)布時(shí)間：2021-10-25 13:22:18 文章來源：羊城晚報(bào)

北京時(shí)間10月19日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了三篇中國嫦娥五號(hào)月球樣品研究結(jié)果的論文，為月球熱演化和化學(xué)演化提供了新知：月球內(nèi)部

北京時(shí)間10月19日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了三篇中國嫦娥五號(hào)月球樣品研究結(jié)果的論文，為月球熱演化和化學(xué)演化提供了新知：月球內(nèi)部在約20億年前仍在演化，但與此前猜測(cè)不同，月幔中既沒有放射性生熱元素，亦沒有大量水的存在。

羊城晚報(bào)記者檢索發(fā)現(xiàn)，三篇論文標(biāo)題分別為《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》、《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》以及《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》，通訊作者分別為中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員李獻(xiàn)華、研究員楊蔚以及副研究員胡森。

這三篇論文的樣品，均來自于名為“風(fēng)暴洋”的月球北部月海中呂姆克山北部，由中國嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器在2020年12月17日帶回地球。這是中國國家航天局探月與航天工程中心自2021年7月12日發(fā)放第一批月球樣品后，發(fā)表的研究成果。

月球巖漿20億年前仍在活動(dòng)

月球火山活動(dòng)是分析月球演化進(jìn)程的重要依據(jù)，火山活動(dòng)停止表明月球失去了內(nèi)動(dòng)力，也即地質(zhì)意義上的“死亡”。以往對(duì)美國、蘇聯(lián)的月球樣本進(jìn)行的放射性同位素測(cè)年顯示，大部分月球火山活動(dòng)在約28億至29億年前停止，古老的巖漿噴發(fā)活動(dòng)留下的黑色玄武巖形成了“月海”。

這一次，中國科學(xué)家們的研究成果對(duì)舊有認(rèn)識(shí)提出了挑戰(zhàn)。

在第一篇論文《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》中，李秋立等研究人員對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品中47塊不同結(jié)構(gòu)的玄武巖碎屑進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)分析了玄武巖最具代表性的定年對(duì)象——含鋯礦物，包括斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石。利用自主研發(fā)的超高空間分辨率鈾-鉛(U-Pb)定年技術(shù)，對(duì)3微米以上的50多顆含鋯礦物進(jìn)行了精確測(cè)試。

最終，科學(xué)家們得到了誤差范圍內(nèi)相同的結(jié)果，即20.30±0.04億年。

這一發(fā)現(xiàn)更新了月球最“年輕”的玄武巖樣品年齡為20億年，將以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)停止時(shí)間延長了8億—9億年。該論文認(rèn)為，這項(xiàng)研究首次提供了月球巖漿活動(dòng)至少持續(xù)到20億年前的確鑿證據(jù)。

月球最晚期的巖漿活動(dòng)為何比此前推測(cè)的時(shí)間晚呢?李獻(xiàn)華說，月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因一直是未解之謎，目前科學(xué)界認(rèn)為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)。

沿著這兩種研究思路，研究人員們對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品進(jìn)行了進(jìn)一步探究，取得了兩項(xiàng)意料之外的結(jié)果。

月球變冷速度比想象中慢

放射性元素提供熱源是目前學(xué)術(shù)界的主流假說。但第二篇論文《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》中，楊蔚和同事的研究表明，月球年輕玄武巖來源的產(chǎn)熱元素含量似乎比預(yù)期的要低，這一結(jié)果也意味著，月球內(nèi)部有著比預(yù)想中更為持久的冷卻歷史。

按照之前的設(shè)想，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)為克里普地體，可能溶出這些巖石的源區(qū)也富集不相容元素。簡單地說，克里普物質(zhì)是指富集鉀、稀土、磷等元素的物質(zhì)，這些元素不容易進(jìn)入到固體中，在地球化學(xué)上被稱為“不相容元素”。月球巖石中的克里普物質(zhì)，從某種程度上可以反映火山活動(dòng)的熱源從何而來。

最新研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)玄武巖樣品具有富集克里普物質(zhì)的特征，但“這是由于巖漿經(jīng)過大量礦物結(jié)晶分異后，殘余部分富集而來”。

研究人員采用世界最高空間分辨的激光原位分析方法，分別在80微米和20微米尺度獲得長石的鍶(Sr)和白磷鈣礦的釹(Nd)同位素，這也是迄今為止微區(qū)Sr-Nd同位素分析方法首次應(yīng)用于月球樣品研究。研究結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)月球樣品上鍶和釹同位素與克里普具有顯著的差異，其在形成過程中，克里普組分的貢獻(xiàn)不足0.5%。

而這一發(fā)現(xiàn)也意味著，維持月球長期火山活動(dòng)的，并非月幔中富含克里普。

該論文指出，嫦娥五號(hào)所采集、形成于20億年前的玄武巖的起源表明，當(dāng)時(shí)月球內(nèi)部比阿波羅采樣的約在35億年前形成的更原始玄武巖形成時(shí)要冷得多，“盡管經(jīng)歷了相當(dāng)大的長期冷卻，但一定有某種機(jī)制使月球地幔中的熔融區(qū)直到20億年前才凝固。一種可能的機(jī)制是，月球上厚厚的絕緣外層充當(dāng)了熱蓋，導(dǎo)致冷卻速度足夠慢”。

對(duì)此，李獻(xiàn)華解釋稱，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自放射性生熱元素的假說。

月幔源區(qū)幾乎沒有水的存在

在第三篇論文《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》中，胡森和同事測(cè)定了嫦娥五號(hào)玄武巖樣品中巖漿包裹體和磷灰石的水含量，得出月幔含水量較少的結(jié)論。

此前，根據(jù)阿波羅任務(wù)以來的分析，一直認(rèn)為月球是無水的。過去十年原位分析技術(shù)的進(jìn)步，使研究者能對(duì)月球樣品進(jìn)行微觀尺度的水豐度分析，對(duì)其月幔水豐度的估計(jì)范圍差異達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明月球內(nèi)部并不像曾經(jīng)認(rèn)為的那樣“干”。

該論文指出，關(guān)于月球內(nèi)部水的來源和分布仍存在許多問題，因此，研究來自新地區(qū)的年輕玄武巖樣本可為月球中水的時(shí)空演化提供重要線索。

在得到嫦娥五號(hào)月球樣品后，研究人員利用高空間分辨的納米離子探針對(duì)樣品的水含量和氫同位素組成進(jìn)行了測(cè)定。研究人員估算出，嫦娥五號(hào)月球樣品月幔源區(qū)每克巖石的水含量僅為1-5微克，表明嫦娥五號(hào)玄武巖的源區(qū)非常“干”。與阿波羅樣品反推的月幔相比，這是水含量最低的月幔。

研究人員指出，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)域長時(shí)間巖漿活動(dòng)的猜想。

月球的探測(cè)和研究有新方向

此次發(fā)表在《自然》雜志的三篇論文，及更早前發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》上的一篇論文，作為由我國科學(xué)家主導(dǎo)獨(dú)立完成的嫦娥五號(hào)月球科研樣品研究的首批成果，得到國際專家的高度評(píng)價(jià)。

“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(dòng)、火山噴發(fā)的數(shù)據(jù)記錄是一片空白，中國科學(xué)家發(fā)表的嫦娥五號(hào)月球樣品研究成果填補(bǔ)了這項(xiàng)空白。”國際知名同位素地球化學(xué)和宇宙化學(xué)家、美國加州大學(xué)戴維斯分校教授尹慶柱認(rèn)為，阿波羅樣品已經(jīng)研究了半個(gè)世紀(jì)，科學(xué)界仍然有新的發(fā)現(xiàn)被發(fā)表，人類對(duì)于月球的認(rèn)知也在不斷被刷新，“嫦娥五號(hào)月球樣品的分析研究才剛剛開始，展望未來，當(dāng)它被詳細(xì)研究50年之后，人類對(duì)于月球和太陽系的認(rèn)知將會(huì)帶來多大的提升!”

國際知名行星科學(xué)家、德國拜羅伊特大學(xué)教授奧德蕾·布維爾認(rèn)為，精確的年代學(xué)研究結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖形成于20億年前，比以往認(rèn)為月球巖漿活動(dòng)停止時(shí)間晚了近10億年，“這些研究結(jié)果也為月球年輕巖漿活動(dòng)的成因提出了新的問題和研究方向”。

事實(shí)上，在嫦娥五號(hào)帶回月壤之前，中國科學(xué)家關(guān)于月壤的研究實(shí)踐，來自于1978年美國捐贈(zèng)的1克月壤。彼時(shí)，面對(duì)僅有的1克樣品，中國科學(xué)家們最多只能用0.5克。在這樣的前提下，全國相關(guān)科研力量集結(jié)起來進(jìn)行細(xì)致入微的科學(xué)研究，先后耗時(shí)4個(gè)月，發(fā)表14篇科研論文，回答了月壤取自何處、成分結(jié)構(gòu)如何等問題。

如今，通過對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品的研究，人類終于對(duì)月球的歷史有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，也提出了新的科學(xué)問題：究竟是什么使月球“活”到了至少20億年前?

“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。”李獻(xiàn)華表示，這對(duì)未來的月球探測(cè)和研究提出了新的方向。

據(jù)悉，中國科學(xué)院正在積極推動(dòng)月球樣本研究的國際合作，目前中科院與法國科研中心，在月球樣本合作研究方面已達(dá)成初步共識(shí)。(記者李妹妍)

標(biāo)簽：月球月幔放射性生熱元素月球樣品

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