【天文成就回顾18】嫦娥样品揭示月球演化新证据

喜迎国庆，喜迎“二十大”，10月1日起我们特别推出 2012-2022天文领域二十项成就回顾系列，每日一推。查看下图，速来揭晓“今日成就”。

2021-10

嫦娥样品揭示月球演化新证据

嫦娥五号探测器带回的月球样品显示月球在20亿年前仍有活动，刷新了人们对月球演化历史的认知。

2021年10月，国际知名学术期刊《科学》杂志（Science）和《自然》杂志（Nature）先后发表了4篇基于中国嫦娥五号月球样品的研究结果的论文，为月球热演化和化学演化提供了新知。这些火山岩样品属于玄武岩，是迄今通过直接测年所知最年轻的月球样品，年龄在20亿年左右。研究表明，月球在20亿年前仍有活动，比阿波罗计划样品年轻了约10亿年。有人形象地概述为：中国月壤样品让月球变“年轻”了。

嫦娥五号月壤样本

2020年12月17日，嫦娥五号将约1.73千克的月球物质带回了地球，距离之前美国阿波罗号和苏联Luna月球探测器带回月球样本已经过去了40多年。嫦娥五号选择的着陆点是月球北半球风暴洋中吕姆克山附近。这片区域形成于火山喷发之后，是最年轻的月海玄武岩区域之一。这些火山岩记录了月球热演化和化学演化的历史。

月球火山表面样本

之前对月球样本进行的放射性同位素测年显示，大部分月球火山活动在约29-28亿年前停止。撞击坑计数定年法是另一种计算行星表面年龄的方法，该方法预测月球可能在30-10亿年前还有火山流，提示火山活动的持续时间可能比之前认为的更久。但由于缺少返回样品用于校准，后一种定年法存在很大的不确定性。

10月7日， 中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心刘敦一团队等在《科学》杂志上发表论文，对嫦娥五号月球玄武岩进行的年代学、元素、同位素分析表明，月球在距今19.6亿年前，仍存在岩浆活动，将月球地质寿命延长了约10亿年，为完善月球演化历史提供了关键科学证据。这也是对嫦娥五号月球样品做出的首篇学术论文。

10月20日，中科院地质与地球物理研究所李献华团队等、 胡森团队等、杨蔚团队等在《自然》杂志上同期发表3篇论文，宣布了对嫦娥五号样品的分析发现。根据月岩同位素定年结果，精确测定了嫦娥五号月球样品玄武岩年龄为20.30 ± 0.04 亿年前，并且研究发现嫦娥五号玄武岩来自克里普（KREEP——指稀土元素、钾元素、磷元素）组分亏损的源区。样品中的产热元素含量低于预期，暗示了月球冷却的速度可能比之前想的更慢。对嫦娥五号玄武岩中的磷灰石和钛铁矿包裹的熔体包裹体开展水含量和氢同位素分析，估算嫦娥五号玄武岩月幔源区的最高水含量小于5微克/克，推测其母岩浆的水含量低于来自更古老火山活动区域的样品 （40-28亿年前喷发的玄武岩），这些年轻玄武岩的来源在漫长的火山活动中逐渐脱水，这与火山活动至少持续至20亿年前的观点一致。

嫦娥五号玄武岩年龄数据对月球撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点，为月球岩浆和热演化历史给出新认识。同时，这也引发了一个新的研究话题：为什么月球火山活动能持续如此之久？

月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆，经由火山喷发传输至月球表面，再经冷却结晶所形成的岩石。由于月球核心“已死”，只能慢慢冷却的月球怎么能让月幔发生部分熔融呢？通常认为有两种可能的途径：①加热（如放射性元素生热）；②降低熔点（如月幔富含水或其它挥发分）。然而，嫦娥五号样品所传递出的信息，月幔源区既不富含放射性生热元素——否定了主流假说①，又没有很多水——否定了主流假说②。

就在本月，中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队又在新一期《科学进展》杂志（Science Advances）上发表论文，提出了新的观点。研究表明，与阿波罗样品相比，年轻的嫦娥五号玄武岩的初始岩浆中含有更多的钙和钛，以及更多的单斜辉石-钛铁矿堆晶体。这部分物质恰恰是月球岩浆洋晚期结晶的产物，且具有易熔的特性，它们的加入会显著降低月幔的熔点，从而诱发月幔部分熔融和更年轻的火山活动，于是也就形成了更年轻的月球玄武岩。嫦娥五号玄武岩与阿波罗玄武岩起源深度大致相当（~450-600km），但嫦娥五号玄武岩的形成温度更低，模拟计算结果显示，月球内部经历十几亿年的持续冷却，温度仅仅降低了约80摄氏度。

图源：中国科学院地质与地球物理研究所

这是月球不同时期岩浆及热演化示意图

图源：中国科学院地质与地球物理研究所

自从2021年4月13日，嫦娥五号任务第一批月球样品信息和科学数据上线发布至今，已有5批次184份共计65.104克样品分配给了几十个研究机构100多个研究团队。这些样品正在源源不断地产出新的研究成果，不断丰富着我们对月球的认知。

参考资料：中国探月工程、新华社、环球网、中科院地质地球所

编辑：LQ

审核：水仙

绘画：盛盛、凯丽

图源：央视新闻

往期回顾

【天文成就回顾01】中国天眼FAST落成
【天文成就回顾02】天问一号 探火逐梦
【天文成就回顾03】“慧眼”观宇宙【天文成就回顾04】暗物质粒子探测卫星“悟空”成功发射
【天文成就回顾05】中国发现世界级光学天文台址【天文成就回顾06】“天马”行空 逐梦前行
【天文成就回顾07】墨子号引领天地量子通信
【天文成就回顾08】中国探日首星"羲和号"
【天文成就回顾09】“拉索”发现宇宙最高能光子
【天文成就回顾10】中国探月“三步走”圆满收官
【天文成就回顾11】人类首次获得黑洞影像
【天文成就回顾12】世界屋脊落成观星圣地【天文成就回顾13】LAMOST光谱数突破千万【天文成就回顾14】FBR起源之谜新突破【天文成就回顾15】“北斗”导航系统建成开通
【天文成就回顾16】“悟空”发现宇宙线电子反常信号
【天文成就回顾17】发现中微子第三种振荡模式

原创科普文章投稿： 

[e-mail]   

邮件名称请注明“投稿”