The Innovation | 嫦娥五号月球样品揭示月球“长寿”之谜

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2020年11月24日，嫦娥五号在中国文昌航天发射场点火升空，并于2020年12月17日，从月球风暴洋北部带回了1731克月壤样品，这是时隔44年人类再次从月球采样返回。嫦娥五号样品与美国阿波罗和前苏联月球号样品有什么不同，它又能给我们带来哪些新的科学发现呢？

图1 （A）月球历史时间表，20亿年（2.0Ga）之后的火山活动仅分布在局部地区。（B）月海玄武岩陨石坑年代分布。（C）月球表面Th（钍）含量分布。在（A）-（C）中，红点表示嫦娥五号样品的年龄和嫦娥五号着陆点位置。在（B）-（C）中，浅蓝色表示阿波罗号着陆点，深蓝色表示月球号着陆点。

随着嫦娥五号返回器成功着陆于内蒙古四子王旗，神秘的月球又一次引起广泛的关注。作为地球唯一的自然卫星，月球不仅是古往今来的文人骚客诗词赞叹的对象，也是我们进入深空探索浩瀚宇宙的前哨站。地球和月球形成的地月系统对地球表面环境甚至生命演化都至关重要，也是探究地球起源和早期演化的关键。最近，关于嫦娥五号月球样品的一系列研究为我们揭开了月球神秘的一角：月球火山活动持续了多长时间？月球“长寿”的秘密是什么？

来自中国地质科学院地质研究所和中国科学院地质与地球物理研究所的团队分别独立对嫦娥五号玄武岩样品进行了地质年代学研究,均采用了Pb-Pb等时线法（²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb以及²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb)。研究结果发表在Nature和Science上，嫦娥五号玄武岩样品的精确年龄为20.30±0.04亿年。该结果表明嫦娥五号玄武岩是目前最年轻的月球岩石，证明月球火山活动的持续时间比过去认为的要长8-9亿年（图1A）。

理论上，月球有着较大的比表面积，应该迅速冷却并很快变得不活跃。但月球火山活动为何能持续如此之久呢？针对这一问题，发表于Nature的另外两篇论文分别对两种可能的机制进行了讨论。 

第一种可能的解释是火山活动的深部源区富含水，而水会降低岩石的熔融温度，从而只需要较少的热量就可以导致火山活动。通过实验分析，嫦娥五号玄武岩月幔源区的水含量仅为百万分之1-5。与阿波罗玄武岩相比，嫦娥五号玄武岩月幔源区的水含量更低。这一结果排除了水降低岩石熔点从而产生月球最年轻玄武岩的可能性。

另一种可能的解释是火山活动的深部源区富含放射性元素，从而为产生火山提供热源。轨道探测发现，嫦娥五号着陆区月表的Th含量很高(图1C)，但其下部的月幔是否也富含Th尚不清楚。研究表明，尽管嫦娥五号玄武岩比阿波罗号玄武岩和月球号玄武岩含有更高的Th，但是其深部源区并不富含Th。富含Th的特征是后期火山过程造成的。因此，放射性生热元素也不是导致月球年轻火山活动的原因。

值得注意的是，月球玄武岩主要分布在月球正面。这种不对称性分布可能是因为月幔对流，月球正面月核加热导致月幔上涌，诱发了火山作用，但该假说有待进一步研究来验证。

总结和展望

嫦娥五号玄武岩大约形成于20亿年前，是已获得的最年轻的月球岩石，该年龄填补了月球历史的空白，为陨石坑定年提供了关键的锚定点，同时也证明了月球火山活动的持续时间比过去认为的要长8-9亿年。同时，月球火山活动持续如此之久的原因，既不是月幔源区富含放射性生热元素热源，也不是富含水降低了熔点。因此，我们需要重新考虑月球的热演化模型，这为未来月球的探测和研究提供了新方向。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00102-8

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第四期以Commentary发表的“Chang’E-5 reveals the Moon’s secrets to a longer life” (投稿: 2021-10-17；接收: 2021-10-18；在线刊出: 2021-10-21)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100177

引用格式：Mitchell R. (2021). Chang’E-5 reveals the Moon’s secrets to a longer life. The Innovation. 2(4),100177.

作者简介

Ross Mitchell，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，在耶鲁大学获得博士学位，曾在加州理工学院开展博士后研究。主要从事地球和行星科学研究，研究领域包括古地磁学，旋回地层学，超大陆学说，真极移理论以及类地行星演化。旨在发现超大陆旋回的动力学过程及驱动机制。通过比较行星学，理解不同行星幔对流（有无板块构造）之间的异同。这种对比对于评价地外天体的可宜居性至关重要。

个人主页：http://sourcedb.igg.cas.cn/cn/zjrck/201912/t20191219_5460988.html

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