月球样品记录的20亿年前岩浆活动丨嫦娥五号
2021/10/19 18:13:03 中科院之声
图1 满月夜空(图片来自网络)
小时不识月，呼作白玉盘。
又疑瑶台镜，飞在青云端。
李白用形象的比喻展现了月球的基本性质：月球本身不发光，而是反射太阳光来展示它冷艳而平静的表面(图1)。如果将岩浆比喻为星球的血液，那么月球的血液早已凝固，无法维持地质生命的延续。“月球上的岩浆活动是何时停止的”这一科学问题，在最近几十年一直被争论不休且被持续关注。要想深究这个问题，就需要知道月球上最年轻的岩石年龄，以此来确定最后岩浆活动的时间。
从20世纪60年代开始，美国阿波罗(Apollo)计划6次和前苏联月球号(Luna)3次返回月球样品，根据这些样品所确定的岩石年龄都大于30亿年，即使加上收集到的所有月球陨石，最年轻的也大于28亿年。月球的地质生命早早就结束了吗？显然还需要更多的月球样品来验证。
嫦娥五号月球采样的重要任务之一正是探索月球最年轻的岩浆活动。嫦娥五号返回器于2020年12月17日凌晨在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，时隔44年再次返回月球样品。这是中国科学院地质与地球物理研究所和中国科学院国家天文台团队通过嫦娥五号探索月球最晚岩浆活动故事开始的地方。
要确定一块岩石的绝对年龄，最精确的方法是放射性同位素定年。但在未取得样品之前，根据什么原则选择着陆区才可能获得最年轻的月球样品呢？这就需要先介绍另外一种可以给出启示的方法——撞击坑统计定年法。
让我们再次在脑海里浮现一下那个大大的“白玉盘”，表面并非光洁如镜，而是高低不平的。如果通过天文望远镜去观察，就可以清晰地看到月球表面铺满了大大小小的坑，这是几十亿年以来陨石撞击留下来的。根据所获得月球样品的成分，我们知道月球的岩浆粘度低，可以流动而固化成相对平整的表面，每次陨石的撞击会留下一个坑，日积月累，越老的地方就会留下越多的撞击坑，而年轻的地方则会少。这样一来，撞击坑的大小和多少就可以和年龄挂钩，成为一种可以估计区域岩石年龄的方法，称之为撞击坑统计定年法。
这种方法是基于美国阿波罗和前苏联月球号返回样品的年龄和着陆区撞击坑统计而发展起来的，这对于其它还没有返回过样品的内太阳系星球表面的定年是非常重要甚至唯一的手段。但这种方法定年的结果到底精确度如何呢？这就要靠新的返回样品来验证了。
图2 叠加钍(Th)浓度分布的月球阴影地形图
(图片来源：Korotev et al.，2003，GCA)
嫦娥五号着陆区的选择基于三个方面的考虑：一是撞击坑密度最低的地方，预期岩石最为年轻；二是通过遥感数据获得的岩石成分推测最容易产生岩浆的地方；三是要远离阿波罗和月球号着陆区，以免获得重复信息。嫦娥五号着陆区最终选择在一个被称为风暴洋克里普地体的P58区域(图2)。
风暴洋是月球上最大的月海，位于月球西半球，也就是我们常提到的“蟾宫”。P58区域是根据撞击坑统计定年所给的年龄顺序中排位第58号，基本上是预期最年轻的地方。克里普是KREEP音译而来，这个词是钾元素(K)、稀土元素(REE)和磷元素(P)的首字母缩写。这几种元素在地球化学上归属为“不相容元素”，就是不喜欢进入到固体中的元素。这样一来，在一个岩浆洋或岩浆房中，经过大量矿物的结晶后，最后残余的部分就会特别富集克里普组分，同时富集铀、钍、铷等不相容且具放射性的元素，这些元素在衰变转换成其他元素时会产生热量。因此，富集这些元素的物质即使冷却成固体，经过长时间的积累放射性生热也可能再次熔融。
综合分析，这个地区坑少，生热元素多，理论上可以是年轻的。不同研究者对着陆区划分了不同大小的区域，通过撞击坑统计定年法来推测年龄，却有12亿到30亿年不等，虽然误差很大，但总体显示极有可能是月球最年轻的区域，确切的年龄亟待返回样品通过放射性同位素定年方法来确定。
放射性同位素定年方法是基于一种元素(母体)衰变成另外一种元素(子体)的过程具有固定不变的衰变常数，通过测量母体和子体元素含量和同位素比值就可以计算出岩石是多长时间以前形成的。因为这些岩石的年龄多以亿年为单位来衡量，这就需要一个衰变速率较慢且不容易受后期事件改变的同位素体系。经过长时间的检验，最好用的是铀(U)衰变到铅(Pb)的体系。
中科院地质地球所的离子探针团队在过去十余年里持续研发微区U-Pb体系定年技术和方法，已经将分析条件优化到国际领先水平。怀揣着激动的心，控制住颤抖的手将样品放入质谱计中，一个测试数据完成大约要10分钟时间，这个过程是激动人心的，是手心都冒汗的焦灼和热切。当第一个年龄数据跃然屏上，20亿年!我们都没敢相信这是真的，我们需要更多严谨的分析来确认这一可能震惊整个科学界的数据结果。
我们尽可能多的分析各种不同结构的岩屑，最终我们统计了47块岩屑，对其中各种矿物，尤其是对玄武岩最具代表性的定年对象，即含锆矿物——斜锆石、钙钛锆石、静海石(在月球静海中首次发现的矿物，因此取名静海石)，虽然只有头发丝直径的二十分之一甚至更小，我们通过自主研发的超高空间分辨率测试手段，对3微米以上的50多颗含锆矿物进行了精确测试(图3)。
图3 嫦娥五号样品中玄武岩岩屑背散射图像(图片来源：修改自Li et al.，2021，Nature)
a. 全颗粒整体图像展示主要矿物分布；
b. 局部放大展示定年矿物产状和离子探针分析点位。
一个矿物颗粒接着一个矿物颗粒，一种岩石类型接着一种岩石类型，我们都得到了误差范围内相同的结果。最终我们统计了所有分析结果，给出了精确的年龄20.30 ± 0.04 亿年。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，可以说嫦娥五号探索任务非常成功，所取得的月球样品带来了全新的月球演化认知。
我们的工作不仅得到了年龄，而且进一步挖掘了熔融出这些样品的月幔源区的特征。如果说最年轻的年龄是嫦娥五号任务开始时可以预期到的，那么熔融出这些样品的岩浆源区的特征却是出人意料的。
按照之前的设想，嫦娥五号着陆区是个克里普地体，可能溶出这些岩石的源区也富集不相容元素，但返回样品实实在在地告诉我们，岩浆源区具有很低的U/Pb比值，并不富集U，显然是亏损放射性生热元素的。这样，之前猜想是因为源区富集克里普组分才会经历长时间的热量积累来产生岩浆，而我们的结果证明了这个成因假说对于嫦娥五号着陆区仅仅是个“假说”。
综合这两项新成果，月球上最年轻的岩浆来源于放射性生热元素亏损的源区，这就对月球的演化过程提出了一个全新的科学问题。一方面，小到约地球百分之一质量的月球并没有之前想象的那样早早就结束了地质生命；另一方面，这么晚的岩浆活动却又不是想象中通过放射性生热元素积累热量来产生的。
下一步工作需要更深入考虑放射性生热元素的贡献，虽然我们证明了岩浆直接来源的地方没有富集生热元素，但是否可能源区周边有很多，且只提供了热而没有提供物质呢？这个因素如果排除，那么就需要再去探讨其它的岩浆成因机制了，这为全世界科学家指出了新的研究方向。
回头我们再来看看撞击坑统计定年方法，之前不同研究者对该区域统计的年龄范围如此之广，最主要的原因是根据已有样品建立的撞击坑统计定年曲线上的限定点并不多，尤其是10亿到30亿之间完全是空白(图4)。
图4 嫦娥五号样品年龄对撞击坑统计定年曲线的锚点作用
(图片来源：修改自Li et al.，2021，Nature)
本次嫦娥五号样品的精确年龄为这条定年曲线在20亿年提供了一个关键锚点，可以极大地提高撞击坑统计定年方法的精确度，这不仅对月球其它地方定年很重要，对于内太阳系其它星体表面的定年同样适用。
“可怜今夕月，向何处，去悠悠？是别有人间，那边才见，光影东头？”南宋词人辛弃疾一首具有浪漫主义特色的词篇契合此情此景。阿波罗和月球号返回的月球样品已经研究了半个世纪以上，人们对月球演化认知水平增长越来越缓慢，甚至停滞不前。没有新的样品，缺乏新的认知，不知路在何方之际，嫦娥五号返回样品所带来的最年轻样品及其特征一石激起千层浪，可以预见新一轮月球研究热潮正在兴起，将吸引更多的科学家加入到研究团队中来。
中国的深空探测正大步走在前进的道路上，期待着广大青少年加入到探索星空的队伍中来，上九天揽月，去太空翱翔!
作者：李秋立、周琴、李春来、李献华
来源：中国科学院地质与地球物理研究所
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