The Innovation｜嫦娥五号月球样品改写月球演化历史( 二 ) 导读2020年12月

主流假说认为，月球年轻的玄武岩与放射性生热元素“克里普”有关，因为月球最年轻的玄武岩主要分布在一个叫“克里普地体”的特殊区域（图5）。克里普地体因富含钾（K）、稀土（REE）、磷（P）（缩写KREEP ，即克里普）等不相容元素而得名，包括铀、钍等放射性生热元素。但“克里普”放射性生热导致月球最年轻火山活动的假说，从未得到验证。

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图5月海玄武岩与钍含量分布图[5] 。红色代表嫦娥五号着陆点，青色和蓝色分别代表阿波罗和月球号任务着陆点。左图暖色区域是年轻玄武岩分布地区，与钍元素分布具有很强相关性。
科学家分析了嫦娥五号月壤样品的锶、钕、铅同位素组成。结果表明：嫦娥五号玄武岩具有非常亏损的锶-钕同位素组成和低的铀/铅比值，与克里普岩具有的富集同位素特征形成鲜明对比（图6）。这一发现意味着嫦娥五号年轻玄武岩并非来自“克里普”的贡献，进而排除了“克里普”中放射性生热元素维持月球长期火山活动的主流假说。

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图6.嫦娥五号玄武岩锶和钕同位素结果[6] ，玄武岩锶和钕同位素（红色）与克里普（绿色）有显著的差异
干燥的月幔（mantle）
一直以来科学家们都认为月球是一个几乎不含水，近乎干透了的星球。随着对月球样品研究和遥感探测的逐渐深入，这一认识逐渐发生了改变。首先，通过遥感探测发现月球表面水并不罕见，尤其是在火山碎屑堆积地区及月球南北两极（图7）。其次，美国科学家Saal等分析了阿波罗任务所采集的火山玻璃并估算出岩浆中的水含量高达745ppm ，证明月球深部并不贫水。其他研究人员也进行了类似研究，估算出月球的内部水含量差异达2个数量级。月球内部到底是“干”或“湿” ，成了月球探测首先要解决的关键科学问题。那么嫦娥五号玄武岩样品的源区是否富集水呢？如果富集水的话，那么这些水是不是能降低源区物质的熔点，导致月幔更容易发生熔融？

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图7月球正面“克里普地体”表面水含量[7]
为了解决这些问题，中国科学院地质与地球物理研究所科学家使用纳米离子探针测定了嫦娥五号样品中的包裹体及磷灰石的水和氢同位素组成。研究表明：嫦娥五号样品中岩浆包裹体（代表原始岩浆）水含量约为280ppm ，与基于嫦娥五号玄武岩全岩推算的原始岩浆水含量一致。我们知道月海玄武岩是月幔经部分熔融产生的，水在岩石熔融过程中更倾向于进入岩浆中。这个过程使水在岩浆中的含量提高了约200倍，据此估算的月幔源区的水含量仅为1-5ppm ，比阿波罗月岩和月球陨石估算的月幔水含量都要低（图8），说明嫦娥五号玄武岩的月幔源区非常“干” 。这个研究排除了月球长期火山活动的另外一种可能性，即源区富含水导致的熔点降低。

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图8月球内部水含量随时间演化[8] 。嫦娥五号玄武岩月幔源区水含量的不超过1-5ppm ，明显低于以前报道的月幔水含量。
【The Innovation｜嫦娥五号月球样品改写月球演化历史】总结和展望