研究成果|20亿年前玄武岩揭示月球演化奥秘

◎采访人员陆成宽
月幔到底有多干？月球上火山活动何时停止？曾经的岩浆活动如何维持？嫦娥五号月球样品给出答案。
10月19日，中国科学院发布嫦娥五号月球样品最新研究成果。来自中科院地质地球所与国家天文台等单位的研究人员发现，嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩，月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年，其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素，并且月幔源区几乎没有水。相关研究成果通过三篇《自然》论文和一篇《国家科学评论》论文在线发表。
这是首批由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球样品研究成果，充分彰显出中国科学家的科研水平和创新能力。
月球岩浆活动停止时间晚了约8亿—9亿年
以往对美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究已证实，月球的岩浆活动至少持续到大约28亿至30亿年前，古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了所见的“月海” 。
但是， “对于月球岩浆活动停止的确切时间，科学界一直存在争议。 ”中科院地质地球所研究员、中国科学院院士李献华说。
在最新的研究中，研究人员利用超高空间分辨率铀-铅（U-Pb）定年技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物进行分析，确定玄武岩形成年龄约为20.3亿年，证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。
“也就是说，月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间晚了约8亿—9亿年。 ”李献华解释道。
此前，科学家曾以一种统计区域撞击坑的大小和数量的方法，推断嫦娥五号着陆区是月球最年轻玄武岩单元之一，这一区域的年龄为10亿至30亿年，这种方法存在着极大不确定性。
李献华表示，此次嫦娥五号玄武岩的精确年代测定为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点，将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。
此外，研究中采用的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术也处于国际领先水平，为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。
月球冷却慢的两种解释都被排除
与此同时，为什么月球冷却如此之慢，月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜。李献华说，目前科学界存在两种可能的解释：岩浆源区中富含放射性元素以提供热源，或富含水以降低月幔熔点。
基于地质地球所研发的超高空间分辨率同位素分析技术，研究人员发现了意料之外的结果：嫦娥五号玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质” ，这几种元素在地球化学上被称为“不相容元素” ，意为不容易进入固体中的元素，嫦娥五号样品富集克里普物质的特征，是由于岩浆本身演化过程中经过大量矿物结晶固化后，残余部分富集而来。
对此，李献华解释道，这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说，揭示了月球晚期岩浆活动过程。
【研究成果|20亿年前玄武岩揭示月球演化奥秘】对于岩浆源区是否富含水，研究团队利用地质地球所纳米离子探针研发的分析技术，测定了嫦娥五号玄武岩中的水含量和氢同位素组成，获得月幔源区的水含量仅为1—5微克/克，也就是说月幔非常“干” 。
研究指出，这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点，导致该区域岩浆活动持续时间异常延长的猜想。
李献华表示，月球冷却如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理论框架和演化模型，对未来的月球探测和研究提出了新的方向。