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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

發布時間：2021-10-25 13:22:18 文章來源：羊城晚報

北京時間10月19日，國際頂尖學術期刊《自然》發表了三篇中國嫦娥五號月球樣品研究結果的論文，為月球熱演化和化學演化提供了新知：月球內部

北京時間10月19日，國際頂尖學術期刊《自然》發表了三篇中國嫦娥五號月球樣品研究結果的論文，為月球熱演化和化學演化提供了新知：月球內部在約20億年前仍在演化，但與此前猜測不同，月幔中既沒有放射性生熱元素，亦沒有大量水的存在。

羊城晚報記者檢索發現，三篇論文標題分別為《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院地質與地球物理研究所研究員李獻華、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“風暴洋”的月球北部月海中呂姆克山北部，由中國嫦娥五號月球探測器在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日發放第一批月球樣品后，發表的研究成果。

月球巖漿20億年前仍在活動

月球火山活動是分析月球演化進程的重要依據，火山活動停止表明月球失去了內動力，也即地質意義上的“死亡”。以往對美國、蘇聯的月球樣本進行的放射性同位素測年顯示，大部分月球火山活動在約28億至29億年前停止，古老的巖漿噴發活動留下的黑色玄武巖形成了“月海”。

這一次，中國科學家們的研究成果對舊有認識提出了挑戰。

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

最終，科學家們得到了誤差范圍內相同的結果，即20.30±0.04億年。

這一發現更新了月球最“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停止時間延長了8億—9億年。該論文認為，這項研究首次提供了月球巖漿活動至少持續到20億年前的確鑿證據。

月球最晚期的巖漿活動為何比此前推測的時間晚呢?李獻華說，月球最晚期巖漿活動的成因一直是未解之謎，目前科學界認為存在兩種可能的解釋：巖漿源區中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低月幔熔點。

沿著這兩種研究思路，研究人員們對嫦娥五號月球樣品進行了進一步探究，取得了兩項意料之外的結果。

月球變冷速度比想象中慢

放射性元素提供熱源是目前學術界的主流假說。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熱元素含量似乎比預期的要低，這一結果也意味著，月球內部有著比預想中更為持久的冷卻歷史。

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

最新研究發現，嫦娥五號玄武巖樣品具有富集克里普物質的特征，但“這是由于巖漿經過大量礦物結晶分異后，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Sr-Nd同位素分析方法首次應用于月球樣品研究。研究結果表明，嫦娥五號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，克里普組分的貢獻不足0.5%。

而這一發現也意味著，維持月球長期火山活動的，并非月幔中富含克里普。

該論文指出，嫦娥五號所采集、形成于20億年前的玄武巖的起源表明，當時月球內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要冷得多，“盡管經歷了相當大的長期冷卻，但一定有某種機制使月球地幔中的熔融區直到20億年前才凝固。一種可能的機制是，月球上厚厚的絕緣外層充當了熱蓋，導致冷卻速度足夠慢”。

對此，李獻華解釋稱，這一結果排除了嫦娥五號著陸區巖石初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的假說。

月幔源區幾乎沒有水的存在

在第三篇論文《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》中，胡森和同事測定了嫦娥五號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論。

此前，根據阿波羅任務以來的分析，一直認為月球是無水的。過去十年原位分析技術的進步，使研究者能對月球樣品進行微觀尺度的水豐度分析，對其月幔水豐度的估計范圍差異達兩個數量級，這表明月球內部并不像曾經認為的那樣“干”。

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

在得到嫦娥五號月球樣品后，研究人員利用高空間分辨的納米離子探針對樣品的水含量和氫同位素組成進行了測定。研究人員估算出，嫦娥五號月球樣品月幔源區每克巖石的水含量僅為1-5微克，表明嫦娥五號玄武巖的源區非常“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，導致該區域長時間巖漿活動的猜想。

月球的探測和研究有新方向

此次發表在《自然》雜志的三篇論文，及更早前發表在《國家科學評論》上的一篇論文，作為由我國科學家主導獨立完成的嫦娥五號月球科研樣品研究的首批成果，得到國際專家的高度評價。

“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成果填補了這項空白。”國際知名同位素地球化學和宇宙化學家、美國加州大學戴維斯分校教授尹慶柱認為，阿波羅樣品已經研究了半個世紀，科學界仍然有新的發現被發表，人類對于月球的認知也在不斷被刷新，“嫦娥五號月球樣品的分析研究才剛剛開始，展望未來，當它被詳細研究50年之后，人類對于月球和太陽系的認知將會帶來多大的提升!”

國際知名行星科學家、德國拜羅伊特大學教授奧德蕾·布維爾認為，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”。

事實上，在嫦娥五號帶回月壤之前，中國科學家關于月壤的研究實踐，來自于1978年美國捐贈的1克月壤。彼時，面對僅有的1克樣品，中國科學家們最多只能用0.5克。在這樣的前提下，全國相關科研力量集結起來進行細致入微的科學研究，先后耗時4個月，發表14篇科研論文，回答了月壤取自何處、成分結構如何等問題。

如今，通過對嫦娥五號月球樣品的研究，人類終于對月球的歷史有了更進一步的認識，也提出了新的科學問題：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。”李獻華表示，這對未來的月球探測和研究提出了新的方向。

據悉，中國科學院正在積極推動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成初步共識。(記者李妹妍)

標簽：月球月幔放射性生熱元素月球樣品

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