The Innovation｜嫦娥五号月球样品改写月球演化历史导读2020年12月

导读
2020年12月，我国首次月球采样返回任务嫦娥五号着陆于月球风暴洋北部地区（51.92°W ， 43.06°N），并采集了1731g月球样品。 2021年7月12日，嫦娥五号样品开始分发给国内科学家用于科学研究。以中国科学院地质与地球物理研究所及国家天文台为主的联合研究团队发现，嫦娥五号所采集的月海玄武岩喷发于20亿年前，并具有独特的化学组成。研究结果将月球火山活动的结束时间延长了约8亿年，揭开了月球最年轻火山活动的神秘面纱。相关成果以三文连发的形式在顶级期刊Nature发表。

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图1嫦娥五号月壤样品
根据初步的岩相学观察这些岩屑可以分为玄武质岩屑、凝结集块、角砾岩屑和玻璃等四种类型，其中，玄武质岩屑的结构类型丰富[1] 。研究团队对不同结构类型的玄武质岩屑开展了详细的年代学和地球化学研究。
最年轻的月球玄武岩（basalt）
在嫦娥五号之前，只有美国阿波罗计划和前苏联月球号返回过月球样品，而采样局限在月球正面的低纬度地区，所采集的最年轻玄武岩都形成于31.5亿年前，最年轻的月球陨石约形成于28亿年前（图2）。由于未能获取更年轻的月海玄武岩样品，月球火山活动结束的时间一直没有得到限定。
图2嫦娥五号之前返回月球样品的年龄[2]
嫦娥五号任务的主要科学目标就是在风暴洋北部采集年轻玄武岩并进行实验室分析。那么，科学家如何知道嫦娥五号着陆区域有年轻的玄武岩呢？事实上，他们使用了“撞击坑定年法” ，通过统计行星表面单位面积内的撞击坑大小和数量，估算其形成时代。其原理是：行星表面较老的区域，累计遭受的撞击越多；反之，越年轻的区域，累积遭受的撞击越少。
通过“撞击坑定年法” ，科学家推算嫦娥五号着陆区是月面最年轻的区域之一，形成于12-22亿年之间，远比美国阿波罗计划或苏联Luna计划发现的月海玄武岩年轻。
科学家如何进一步精确测定嫦娥五号样品的年龄呢？他们对嫦娥五号样品中47块玄武岩岩屑中的50多颗直径3微米以上的代表性定年矿物（斜锆石、钙钛锆石、静海石）进行了超高空间分辨率放射性同位素测定（图3）。通过铀-铅体系的衰变关系得到了矿物颗粒的年龄，最终经统计分析给出嫦娥五号玄武岩的年龄为20.30±0.04亿年。年龄的精度好于以往的研究，更为重要的是，这个年龄比之前获得的最年轻月球样品还要年轻8亿年以上，标示着嫦娥五号任务的科学目标得到圆满实现，所取得的样品重新改写了对月球演化的认识。

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图3嫦娥五号岩石碎屑主要矿物[3]
回头再看“撞击坑定年法” ，此前不同研究者通过该方法得到的嫦娥五号着陆区岩石年龄相差很大，最主要的原因是撞击坑年代学曲线在10到30亿之间没有定标点（图4）。本研究及Che的研究[4]获得的嫦娥五号玄武岩年龄弥补了这一时间段的空白，为撞击坑年代学曲线在20亿年提供了关键锚点，将极大提高“撞击坑定年法”的精度，为未来研究太阳系其他行星表面年龄打下扎实基础。

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图4嫦娥五号样品年龄校正月球年代学曲线[3]
失踪的“克里普（KREEP）”
嫦娥五号玄武岩喷发于20亿年前，也为我们提出了新的问题：为什么月球火山活动能够持续如此之久？由于月球直径比地球小得多，质量也只有地球的约1% ，理论上早应该停止了火山活动。