嫦娥五号《自然》三连发,关于月球我们又知道了什么?

  10月19日,《自然》杂志连发3篇论文,公布了中国科学院地质与地球物理研究所主导的,对嫦娥五号月球样品的研究成果。3篇论文分别涉及了月球岩浆活动时间、岩浆活动的热源及含水量,新的研究成果为一些重要的科学问题提供了新的线索,但这些线索也引出了新的问题……

  撰文 | 白德凡 二七

  审校 | 二七

  2020年12月17日,嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗着陆,成功将约1.73千克的月球物质带回了地球。这是我国首次完成地外天体的样品采集,也是人类时隔40多年后,再次从月球采集回样品。

  此前可供人类研究的月球物质主要来自美国阿波罗计划和苏联月球号计划采集回的样品,以及少部分掉落在地球上的月球陨石。嫦娥五号的采样,更新了人类40年来的月球样品库。而且由于其采样地点的地质年龄较为年轻,填补了过去月球样品年龄的空缺,对研究月球的演化有极高的价值。

  2021年7月12日,第一批嫦娥五号月球科研样品正式发放。在接收月球样品之前,中国科学院地质与地球物理研究所的科学家已经演练过全部操作流程,做好了展开研究工作的充分准备。在接收到样品后,研究团队在16天内完成了三篇论文,并投稿到《自然》杂志。就在昨天,三篇论文在线发表,距离研究启动只过了100天。

  “最年轻”的区域

  今天的月球表面荒凉、沉寂,然而时间拨回到30亿年前,那时月球的地质活动还很活跃,火山喷发活动形成了大片的的黑色玄武岩。对来自美国、苏联的月壤样本和月球陨石的研究已证实,月球表面的岩浆活动至少持续到大约28至30亿年前,但是,对于月球岩浆活动停止的确切时间,科学界一直没有定论。

  之前科学家通过放射性同位素定年测得,当时获得的月岩样品年龄均大于28亿年,这意味着月球的岩浆活动至少持续到了28亿年前。此外科学家还有另一种方法推测月球岩石的年龄——“撞击坑定年法”:行星或卫星表面越古老的区域,累计遭受陨石的撞击越多,撞击坑数量也就越多;反之,越年轻的区域,累积遭受的撞击越少。通过统计行星或卫星表面单位面积内的撞击坑大小和数量,科学家可以估算这块区域的形成年代。而本次嫦娥五号采样的地点,正是通过撞击坑定年法推测较为年轻的月球区域。

  接收到嫦娥五号月球样品后,中国科学院地质与地球物理研究所的李献华院士带领团队立即开展定年工作。研究团队利用超高空间分辨率铀-铅定年技术,对嫦娥五号带回的玄武岩岩屑中多种矿物进行了定年分析,确定玄武岩形成于20.30±0.04亿年前。也就是说,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,将月球的地质活跃时间延长了约8亿年。

  是什么使得月球上的岩浆活动持续了如此之久?这一直是个未解之谜。目前科学界存在两种主流假说:岩浆中的放射性元素提供了热源,或是岩浆富含水分以降低熔点。现在,嫦娥五号采集的月球样品为检验这两种假说提供了机会。

  “失踪”的克里普

  一种月球演化理论认为,在月球形成之初,曾被深达数百千米的岩浆海覆盖。但随着岩浆不断结晶分异,较难进入岩石的组分在残余的岩浆中不断富集,集中在月球的壳-幔之间,这些残余的熔体被称为“克里普(urKREEP)”,这一名称来源于钾(K)、稀土(REE)、磷(P)元素的富集。一种假说认为,是克里普富含的铀(U),钍(Th),钾(K)等放射性元素,为月球持续的火山活动提供了热源。

  月球岩浆洋模型示意图,图中urKREEP即为克里普(图片来源:http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223876.html,改自Jennifer Rapp)

  嫦娥五号采集回玄武岩样品后,杨蔚研究员带领团队分析了其中的矿物和化学成分,发现它比阿波罗号和月球号带回的样品都更加富含稀土元素,但这是否来源于克里普的贡献呢?答案是不一定。因为稀土元素作为不相容元素(不容易进入岩石中的元素),在“正常”岩浆经过大量矿物结晶固化后,也会在残余岩浆中富集,这些残余岩浆喷出形成的玄武岩也可能含有高比例的稀土元素,却不一定和克里普有关。

  为了确定嫦娥五号玄武岩中稀土元素的来源,研究团队继续分析了样品的锶(Sr)、钕(Nd)、铅(Pb)等同位素。结果表明:嫦娥五号玄武岩的锶(Sr)和钕(Nd)同位素与克里普具有显著的差异。进一步计算表明,在这些玄武岩的形成过程中,月幔克里普组分的贡献不足0.5%。这一发现意味着,维持月球长期火山活动的可能并非月幔中的克里普组分。

  月幔是“干”的

  与此同时,另一个研究团队正在验证月球是“干的”还是“湿的”。月球的形成众说纷纭,其中得到最广泛认可的,是“大撞击起源”假说。简单来说,这个假说认为一个火星大小的天体与原始地球碰撞,溅出的碎片聚集形成了月球。由于水属于强挥发性的物质,在月球“成型”的过程中,水会以气态形式向太空逃逸。换句话说,这样诞生的月球,应当几乎不含水,是一个“干透了”的星球。

  由此可见,月球是否含水,或者含水量的多少,与月球的起源有着密切的关系。从2008年,科学家分析阿波罗任务采集的火山玻璃开始,对月球样品的含水量分析层出不穷。然而不同的研究给出了非常不同的结果,差异可达两个数量级。月球到底是“干”还是“湿”,成为了大家都很关注的问题。

  造成月球含水量长期争议的原因之一,是阿波罗样品和月球陨石的年龄都很老,因此这些样品很可能在成岩后经历过剧烈的改造,与不同来源的岩石(甚至包括外星来源)混杂在一起,并不能反映月幔源区的真实含水量。

  好消息是,这次嫦娥五号采集带回的样本是目前获得的最年轻的玄武岩,为回答月球的“干”、“湿”提供了极佳的机会。研究者使用了高空间分辨率的纳米离子探针,来分析玄武岩中的微小的岩浆包裹体——在岩浆结晶的过程中,矿物内部会“捕获”一些岩浆样品,通过分析这些包裹体,就能直观地了解岩浆结晶过程中的成分演变。

  研究显示,嫦娥五号玄武岩月幔源区的水含量仅为1~5微克/克,这是一个 “非常干”的数值。这或许是因为嫦娥五号着陆区的月幔经过了更长时间的岩浆活动,从而使大部分水分释放到了太空中;也可能是月幔的水含量非常不均一,然而目前还没有机制能够解释月幔含水量的差异。

  让我们回到最初的问题,什么让月球“活”了这么久?从新研究看来,嫦娥五号着陆区异常活跃的火山活动既不是由于克里普中的放射性元素,也不能归因于月幔源区富含水。这些新发现与此前对月球的认识有很大不同,改变了我们对月球的热历史和岩浆历史的认知,对进一步了解月球的起源和演化具有重要的意义。

  参考链接:

  https://www.nature.com/articles/s41586-021-04100-2

  https://www.nature.com/articles/s41586-021-04107-9

  https://www.nature.com/articles/s41586-021-04119-5

  http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223859.html

  http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223878.html

  http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223876.html

  http://www.igg.cas.cn/xwzx/zhxw/202110/t20211019_6225644.html

  本文转自环球科学 

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