揭秘年輕火山成因、月球“撞擊”歷史之謎……嫦娥五號(hào)月球樣品科研成果發(fā)布
我們對(duì)月球的認(rèn)識(shí),又有了新突破!第一屆嫦娥五號(hào)月球樣品研究成果研討會(huì)舉辦,來(lái)看嫦娥五號(hào)月球樣品研究取得哪些系列原創(chuàng)性成果。
撰文/記者 段然
2023年1月16日,在農(nóng)歷新春佳節(jié)臨近之際,由探月與航天工程中心、中科院前沿科學(xué)與教育局、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部主辦,中科院地質(zhì)與地球物理研究所承辦,國(guó)家天文臺(tái)協(xié)辦的“第一屆嫦娥五號(hào)月球樣品研究成果研討會(huì)”在北京成功舉辦。
來(lái)自航天科技、地球與地質(zhì)科學(xué)、核工業(yè)等多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的杰出專(zhuān)家云集此次研討會(huì),先后有14位與會(huì)專(zhuān)家受邀在研討會(huì)上作了精彩的學(xué)術(shù)報(bào)告,對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品的基本情況,樣品的最新研究成果以及嫦娥六號(hào)采用任務(wù)的未來(lái)規(guī)劃作了詳細(xì)生動(dòng)的介紹。席間,圍繞嫦娥5號(hào)月壤樣品基本特性、月球火山活動(dòng)歷史及年輕火山活動(dòng)成因、月球水和揮發(fā)分含量與來(lái)源、月球表面運(yùn)輸撞擊與太空風(fēng)化作用、地外樣品分析新技術(shù)發(fā)展等關(guān)鍵主題進(jìn)行了廣泛深入的交流與研討,在鞏固消化中國(guó)探月工程最新科研成果的同時(shí),也為中國(guó)乃至全球的科學(xué)界獻(xiàn)上了一場(chǎng)精彩紛呈的思想盛宴。
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從“嫦娥五號(hào)”到“嫦娥六號(hào)”
作為我國(guó)探月三期工程的收官之作,嫦娥五號(hào)探月任務(wù)的圓滿完成,不僅標(biāo)志著我國(guó)探月工程取得階段性勝利,還從月球帶來(lái)了一份無(wú)價(jià)之寶——質(zhì)量為1731克的月壤樣品。這批蘊(yùn)含著海量月球地質(zhì)信息的珍貴樣品,于2021年7月21日開(kāi)始向各科研單位發(fā)放,首批發(fā)放了13個(gè)科研機(jī)構(gòu)。此后一年多的時(shí)間里,先后完成了五個(gè)批次共198份樣品的發(fā)放,總共65.1041克。面對(duì)這些首次由中國(guó)航天器帶回的月壤樣品,科研人員們表現(xiàn)出前所未有的熱忱,很快就從中解讀出大量足以顛覆以往認(rèn)知的重要信息,重大成果競(jìng)相涌現(xiàn),并引起國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的強(qiáng)烈反響。
在研討會(huì)上,中國(guó)探月工程的領(lǐng)軍人物分別作了主旨報(bào)告。中國(guó)探月工程三期副總設(shè)計(jì)師及嫦娥六號(hào)任務(wù)副總設(shè)計(jì)師李春來(lái)院士對(duì)嫦娥五號(hào)樣品的申請(qǐng)和研究情況,以及未來(lái)嫦娥六號(hào)任務(wù)的著陸區(qū)選擇作了詳細(xì)報(bào)告。中科院地質(zhì)與地球物理研究所的朱日祥院士則對(duì)嫦娥五號(hào)樣品的評(píng)審情況和研究成果概括進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。探月與航天中心嫦娥六號(hào)/八號(hào)任務(wù)副總設(shè)計(jì)師王瓊則對(duì)未來(lái)嫦娥六號(hào)月球背面采樣返回任務(wù)作了介紹與展望。
作為中國(guó)探月工程三期總設(shè)計(jì)師,參加此次研討會(huì)的胡浩對(duì)記者表示:“這么多的單位與團(tuán)隊(duì)來(lái)參與月壤樣品的研究,并且取得了很多的科研成果,這對(duì)于中國(guó)探月工程特別是嫦娥五號(hào)任務(wù)而言,是一個(gè)巨大的肯定與推動(dòng)?!?胡浩認(rèn)為,嫦娥五號(hào)工程是在技術(shù)上搭建一個(gè)平臺(tái),使科學(xué)家們獲取更多的信息,以滿足科研工作的需要。他同時(shí)指出,嫦娥五號(hào)任務(wù)的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在環(huán)節(jié)多、變化大,嫦娥五號(hào)既要在地球軌道上飛行,又要進(jìn)行繞月飛行和著陸,還要進(jìn)行樣品采集并返回,這些環(huán)節(jié)都是新的挑戰(zhàn)。對(duì)于未來(lái)的嫦娥六號(hào),胡浩說(shuō)道:“我們后續(xù)還有嫦娥六號(hào)任務(wù),他們對(duì)嫦娥六號(hào)任務(wù)的期待,就是對(duì)我們的要求,我們要更加倍努力地完成我們的任務(wù),來(lái)滿足科學(xué)家們各個(gè)方面的要求?!?/p>
正是在嫦娥五號(hào)月壤樣品的毫厘微塵之間,科學(xué)家們用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S,逐步為世人描繪了一幅月球前世今生的奇妙圖景。
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補(bǔ)鈦補(bǔ)鈣,益壽延年?
揭秘月球年輕火山成因之謎
在研討會(huì)上,來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的李獻(xiàn)華院士、胡森研究員與田恒次副研究員,來(lái)自中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院的汪在聰教授與錢(qián)煜奇博士等專(zhuān)家,針對(duì)月球火山活動(dòng)歷史及年輕火山活動(dòng)成因等重大科學(xué)問(wèn)題作了精彩報(bào)告。而他們的科研成果則是源自月壤中的玄武巖屑。
月球上的玄武巖是月幔部分熔融所產(chǎn)生的巖漿噴發(fā)到月表后凝固形成的巖石,蘊(yùn)含著大量月球早期的地質(zhì)信息。嫦娥五號(hào)的登陸點(diǎn)位于風(fēng)暴洋克里普地體的東北部地區(qū),這一地區(qū)恰好位于地質(zhì)年齡第三年輕的玄武巖單元,該地區(qū)玄武巖的形成時(shí)間與月球火山活動(dòng)結(jié)束的時(shí)間接近。通過(guò)對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品中玄武巖屑的研究,中國(guó)的地質(zhì)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)月球火山活動(dòng)一直持續(xù)到20億年前,而傳統(tǒng)理論認(rèn)為月球在25億年前就停止了火山活動(dòng)。這極大刷新了人類(lèi)對(duì)月球巖漿活動(dòng)和熱演化歷史的認(rèn)知,同時(shí)也將一個(gè)全新的問(wèn)題擺在人類(lèi)面前:月球火山活動(dòng)為什么能持續(xù)如此之久?
針對(duì)這一問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李獻(xiàn)華院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì),采用新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術(shù),對(duì)月壤玄武巖屑的全巖主量成分進(jìn)行定量分析,結(jié)合一系列巖漿分離結(jié)晶模擬和熱力學(xué)模擬計(jì)算,獲得了嫦娥五號(hào)玄武巖和阿波羅低鈦玄武巖的初始巖漿成分,通過(guò)限定不同時(shí)期月球火山巖的源區(qū)組成,獲取了他們?nèi)廴诘臏貕簵l件。他們發(fā)現(xiàn),相比于古老的阿波羅玄武巖,年輕的嫦娥五號(hào)玄武巖的初始巖漿含有更高的鈣和鈦??赡芤?yàn)樵磪^(qū)含有更高的巖漿洋晚期形成的單斜輝石-鈦鐵礦堆晶體,導(dǎo)致月幔熔點(diǎn)降低,誘發(fā)年輕火山的形成。李獻(xiàn)華院士就在研討會(huì)上的報(bào)告中總結(jié)道:“月幔源區(qū),富鈣富鈦,熔點(diǎn)降低,因此月球的巖漿活動(dòng)能夠持續(xù)到20億年前?!?/p>
這一研究成果對(duì)月球內(nèi)部冷卻的熱演化過(guò)程作了量化,為“月球年輕火山成因”這一科學(xué)問(wèn)題提供了全新的解釋。同時(shí)為未來(lái)月球冷卻模型建立提供了新啟示。
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月壤玻璃珠訴說(shuō)
月球“撞擊”歷史
除了玄武巖,月壤中還含有大量的玻璃,而因外來(lái)天體撞擊月球表面而形成的玻璃,是了解內(nèi)太陽(yáng)系撞擊歷史的重要研究對(duì)象。通過(guò)對(duì)這些細(xì)微玻璃珠的研究,能夠了解月殼物質(zhì)組成和內(nèi)太陽(yáng)系的撞擊動(dòng)力學(xué)。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所的車(chē)曉超副研究員就針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題在他的報(bào)告中進(jìn)行了深入講解。
由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)、澳大利亞科廷大學(xué)和國(guó)立大學(xué)、布朗大學(xué)等多家海內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì),對(duì)嫦娥五號(hào)月壤中的玻璃珠開(kāi)展了系統(tǒng)的離子探針U-Pb定年研究,通過(guò)采用撞擊濺射物數(shù)值模擬等方法,獲得嫦娥五號(hào)撞擊玻璃球粒準(zhǔn)確的撞擊年齡,并確定了月球上撞擊玻璃球粒的傳輸距離應(yīng)小于150 千米。通過(guò)與撞擊坑頻率年齡對(duì)比,研究人員初步確定了產(chǎn)生嫦娥五號(hào)撞擊玻璃球粒的源撞擊坑,并對(duì)撞擊玻璃球粒的年齡分布與內(nèi)太陽(yáng)系撞擊體遷移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了探討。研究發(fā)現(xiàn)月球撞擊通量變化可能與小行星帶動(dòng)力學(xué)過(guò)程有關(guān)。
從嫦娥五號(hào)月壤中,研究人員獲得了多組撞擊玻璃球粒年齡,并將其與著陸區(qū)撞擊坑關(guān)聯(lián),證實(shí)了月球20億年以來(lái)撞擊頻率隨著時(shí)間不斷變化。這一成果意味著:地球曾經(jīng)經(jīng)歷過(guò)撞擊頻率高于歷史平均水平的時(shí)期,這些新發(fā)現(xiàn)為地月系統(tǒng)的撞擊歷史研究提供了新方向。
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月球之“水”:
月壤樣品中發(fā)現(xiàn)高含量的太陽(yáng)風(fēng)成因水
早期人類(lèi)通過(guò)遙感光譜探測(cè)的研究發(fā)現(xiàn),月球表面的水含量可能與月球維度存在正相關(guān)性關(guān)系,因此相比較降落在低緯度的美國(guó)與前蘇聯(lián)探月器,在中緯度采得的嫦娥五號(hào)月壤樣品對(duì)月球表面水含量、成因和保存機(jī)制的研究提供了全新的視野。中科院地質(zhì)與地球物理研究所的胡森研究員、地球化學(xué)研究所的李陽(yáng)副研究員等專(zhuān)家就在會(huì)上就月球水和揮發(fā)分含量與來(lái)源等問(wèn)題進(jìn)行了專(zhuān)題報(bào)告。
中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品中的輝石、橄欖石和斜長(zhǎng)石礦物開(kāi)展研究,分析了不同礦物中水的成因、含量與賦存狀態(tài),發(fā)現(xiàn)嫦娥五號(hào)礦物表層中存在大量的太陽(yáng)風(fēng)成因水,估算出太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子注入為嫦娥五號(hào)月壤貢獻(xiàn)的水含量至少為170 ppm。結(jié)合透射電鏡與能譜分析,揭示了太陽(yáng)風(fēng)成因水的形成和保存主要受礦物的暴露時(shí)間、晶體結(jié)構(gòu)和成分等影響。
這一研究成果揭示了:月球表面其實(shí)并不缺少水,只是不完全以液態(tài)或固態(tài)形式存在,而是以羥基的形式儲(chǔ)存在月球表面,并進(jìn)一步證實(shí)了月表礦物是水的重要“儲(chǔ)庫(kù)”,為月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考。
除了上述成果外,本次研討會(huì)還重點(diǎn)研討了嫦娥五號(hào)樣品月壤成分特征、月球新礦物嫦娥石等重大科學(xué)議題,核工業(yè)北京地質(zhì)研究院通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行詳細(xì)研究,在十四萬(wàn)個(gè)月壤顆粒里找到了一個(gè)可以解結(jié)構(gòu)的嫦娥石顆粒,并用聚焦離子束掃描電鏡把它切割、提取出來(lái)。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)增添了礦物家族、特別是地外礦物新成員,推動(dòng)了礦物學(xué)學(xué)科的發(fā)展,為月球、行星科學(xué)研究提供了新的科學(xué)數(shù)據(jù),具有重大科學(xué)意義。
本次研討會(huì)的成功舉辦,不僅集中展示了月壤樣品分發(fā)一年多來(lái)我國(guó)科學(xué)界所取得的重大科研成果,有助于加深公眾對(duì)我國(guó)探月工程深遠(yuǎn)意義的理解,同時(shí)還為各個(gè)科研團(tuán)隊(duì)提供了難能可貴的交流平臺(tái),將對(duì)我國(guó)月球科學(xué)研究的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。