幾粒塵埃，訴說月球演化史
目前為止，嫦娥五號(hào)任務(wù)取回的月球樣本已產(chǎn)生43篇學(xué)術(shù)論文?？茖W(xué)家們?nèi)绾瓮ㄟ^毫克級(jí)別的珍貴月球“土特產(chǎn)”，破解月球演化奧秘？
撰文/記者 段然 編輯/丁林
月球不僅是地球在浩渺星空中的親密伴侶，更是人類探索太空的“啟航點(diǎn)”。無論是極目遠(yuǎn)眺，研究河漢彼岸的天體演化規(guī)律，還是回首俯瞰，探索地球家園的過去與未來，這個(gè)熟悉又陌生的天體都為我們提供了絕佳樣本。
人類對(duì)月球的探索，經(jīng)歷了“由遠(yuǎn)及近”的過程，從依靠光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等地面觀測設(shè)備“抬頭仰望”，到向月球發(fā)射探測衛(wèi)星近距離遙感觀測，再到以探測器登陸月面……當(dāng)然，這些探索活動(dòng)都不如從月表帶回點(diǎn)月壤樣本，放在地球的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究來得直觀。
▲研究人員在顯微鏡下挑選嫦娥五號(hào)取回月球樣品中的微米級(jí)顆粒（圖片來源：人民日?qǐng)?bào)客戶端）
10月22日，中國科學(xué)家根據(jù)對(duì)嫦娥五號(hào)月壤的研究，提出了新的月球熱演化模型，揭開了困擾學(xué)術(shù)界的一大謎團(tuán)：“為何月球在距今20億年前依然有火山活動(dòng)？”國際期刊《科學(xué)進(jìn)展》在線發(fā)表了這一最新研究成果。
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“嫦娥”帶回?zé)o價(jià)之寶
2020年12月17日，嫦娥五號(hào)返回艙在內(nèi)蒙古四王子旗成功著陸，將珍貴的月球“土特產(chǎn)”順利送達(dá)。作為我國探月三期工程的收官之作，本次任務(wù)的圓滿完成不僅標(biāo)志著我國探月工程活動(dòng)的階段性勝利，還給科學(xué)家們帶來了一份“無價(jià)之寶”：總質(zhì)量1731克的月球樣品。
國內(nèi)科學(xué)界對(duì)這抔月壤充滿了熱忱與期待。要知道，在嫦娥五號(hào)成功采樣歸來之前的幾十年間，我國的科學(xué)家想要近距離研究月壤只能依靠1978年美國贈(zèng)送的1克樣品（能進(jìn)行實(shí)際研究的是其中的一半）。中科院院士、探月工程重大專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組高級(jí)顧問歐陽自遠(yuǎn)回憶：當(dāng)年把樣品取回來后看到，這是一塊裝在有機(jī)玻璃里面的小石頭。美國人在上面做了一個(gè)放大鏡，用放大鏡看像大拇指一樣大，但實(shí)際只有黃豆一般大小。
這1克樣品極其珍貴?？茖W(xué)家最多只能用0.5克，剩下0.5克必須保存起來。就用這0.5克月壤樣本，花了3到4個(gè)月時(shí)間，中國科學(xué)家完成了全部的分析測試工作，發(fā)表出14篇科學(xué)論文。
相比之下，嫦娥五號(hào)取回的月壤中蘊(yùn)含的科研信息將是海量的。我國科學(xué)家對(duì)這份月壤的期待程度，簡直可以用“望眼欲穿”來形容。
2021年7月12日，嫦娥五號(hào)月球樣品開始正式發(fā)放到我國各科研單位手中，第一批發(fā)放了13個(gè)科研機(jī)構(gòu)，到目前為止發(fā)放了5批次共計(jì)198份樣品，總共65.1041克。
作為我國最重要的地學(xué)研究機(jī)構(gòu)之一，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱“中科院地質(zhì)地球所”）接收了其中相當(dāng)一部分月壤?！拔覀円还搏@得了48份樣品，共計(jì)18.9112克，占所有樣品總質(zhì)量的29%。目前已返還15份，占所有返回份額的50%。”近日，在中科院地質(zhì)地球所舉辦的學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，中國科學(xué)院院士李獻(xiàn)華回想起當(dāng)初接收月壤的情景，依然有些激動(dòng)。
▲嫦娥五號(hào)取回的月球樣品，目前已產(chǎn)生相關(guān)學(xué)術(shù)論文43篇（圖片來源：李獻(xiàn)華院士報(bào)告PPT）
正是依靠這些珍貴的月壤樣本，科研人員們從中得到了不少足以顛覆既往認(rèn)知的重要成果，用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S為我們描繪了月球演化史的奇妙圖景。
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獨(dú)特巖石揭示月球如何形成
地球的“小伙伴”月球是如何誕生的？針對(duì)這個(gè)略帶哲學(xué)色彩的提問，人類長期缺乏值得信服的科學(xué)性解釋。直到上世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)的“月球”探月任務(wù)與美國的“阿波羅”任務(wù)先后將月壤樣品帶回，我們對(duì)這一問題的認(rèn)識(shí)才逐漸從混沌走向清晰。
在對(duì)阿波羅11號(hào)帶回的那批重達(dá)21千克的月壤進(jìn)行研究后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，相比于地殼中鐵元素含量之豐富，月球是個(gè)不折不扣的“缺鐵體質(zhì)”，氫、氦、碳等揮發(fā)性元素也非常匱乏。
對(duì)月壤的成分研究，與以往所提出的“捕獲說”“分裂說”等傳統(tǒng)假說相沖突，科學(xué)家提出了新的撞擊理論：45億年前的太古時(shí)期，地球剛剛誕生不久，一顆火星大小的古老行星和地球發(fā)生劇烈碰撞，向太空濺射的物質(zhì)在引力作用下形成了月球。
隨后，撞擊理論迅速成為學(xué)界共識(shí)，它完美地解釋了月壤中發(fā)現(xiàn)的種種現(xiàn)象：碰撞行星的鐵核主要融進(jìn)了地核，使得月球相對(duì)“缺鐵”。碰撞后產(chǎn)生的巨大熱量，也讓較輕的揮發(fā)性元素四散逃逸。
中科院地質(zhì)地球所研究員李金華在報(bào)告中指出：“根據(jù)大碰撞理論，地月是同源的。它們?cè)谠缙谝捕挤之惓隽撕恕⑨?、殼的結(jié)構(gòu)。然而在后期的演化中，月球和地球的命運(yùn)截然不同?！?/p>
▲部分嫦娥五號(hào)月球樣品在2021年中國航天日活動(dòng)中展出（圖片來源：國家航天局）
通過對(duì)阿波羅11號(hào)帶回的月壤樣本進(jìn)行分析，科學(xué)家們從中發(fā)現(xiàn)了大量的斜長巖巖屑——這類巖石在地球并不多見。之后又逐步確定了月壤所含的主要巖石成分：高地巖石（包括斜長巖等），角礫巖石，月海玄武巖和克里普巖（KREEP）。其中，月海玄武巖由斜長石、輝石和橄欖石組成，主要分布在各個(gè)“月?！蓖莸匾粠??？死锲諑r是地球所沒有的獨(dú)特巖石，因其富含鉀（K）、稀土（RE-E）和磷（P）而得名。
科學(xué)家根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，提出了“巖漿洋”理論，該理論描繪了這樣一幅場景：整個(gè)月球遍體通紅，表面被數(shù)百公里深的熾熱“巖漿海洋”所覆蓋，到處都是噴發(fā)的火山和燃燒的火焰。而隨著表面溫度的不斷下降，巖漿中的橄欖石和輝石成分首先結(jié)晶，這類巖石密度較大，會(huì)沉入巖漿底部，形成了今天的月幔。之后，密度相對(duì)小的斜長石開始結(jié)晶，并上浮堆積到巖漿頂部，冷卻后形成原始的月殼。在巖漿分層、凝固時(shí)，巖漿中的鉀、稀土和磷等不相容元素得以不斷富集，最終形成了克里普巖。
就這樣，在巖漿固化成石，火山歸于沉寂后，月球最終變成了如今的荒涼之態(tài)，完成了它的成年禮。
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月球火山“延壽”8億年
由于“巖漿洋”能夠很好地解釋月球早年的成長歷程，科學(xué)家們基于該理論發(fā)展出一套邏輯嚴(yán)密的月球熱演化模型，從而推導(dǎo)出月球表面火山活動(dòng)停止的大致時(shí)間。
在傳統(tǒng)的熱演化模型之下，形成之初的月球就如同被“釜底抽薪”的熱鍋一樣，很快就會(huì)冷卻下去。中科院地質(zhì)地球所特聘副研究員蘇斌介紹，“月球質(zhì)量是地球的約1%，具有較大的表面積-體積比和較小的內(nèi)動(dòng)力，形成之后應(yīng)該會(huì)快速冷卻，理論上大約在25億年前停止火山活動(dòng)?！?/p>
而蘇聯(lián)的月球號(hào)探測器和美國的阿波羅系列登月飛船，所采集到的月壤也顯示：月球的主要火山活動(dòng)集中在38億-31億年前，最年輕的月壤樣品年齡則在28億年左右。這似乎從側(cè)面驗(yàn)證了熱演化模型的合理性。
但是，這一觀點(diǎn)也不是沒有遇到挑戰(zhàn)。在獲得月壤之前，科學(xué)家們主要通過使用“撞擊坑定年法”來估算月球表面年代——簡單來說，就是統(tǒng)計(jì)月球表面那些大大小小的隕石坑，累計(jì)撞擊次數(shù)越多的區(qū)域年代越老，反之則年代越年輕?！白矒艨佣辍钡慕Y(jié)果顯示：月球的風(fēng)暴洋地區(qū)，存在形成于距今22億-12億年之間的年輕區(qū)域，也就是說月球的火山活動(dòng)，可能一直持續(xù)到20億年前這個(gè)時(shí)間尺度上，這顯然與傳統(tǒng)的熱演化模型結(jié)論相悖。
▲地球、火星和月球的尺寸與火山活動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)比?？梢钥闯?，星球越小，地質(zhì)壽命越短（圖片來源：紫金山天文臺(tái)）
“月球上年輕的火山主要集中在正面的風(fēng)暴洋克里普地體中，這一地區(qū)的火山活動(dòng)可能在20億年前存在一個(gè)峰值。”蘇斌介紹道，“然而由于缺乏返回樣品的驗(yàn)證，關(guān)于月球火山活動(dòng)的年齡一直存在爭議。”
嫦娥五號(hào)帶回的月壤樣本，則完美地揭示了其中的玄機(jī)。嫦娥五號(hào)的登陸點(diǎn)正好位于風(fēng)暴洋克里普地體的東北部地區(qū)，因?yàn)檫x取這一地區(qū)為登陸地是很有講究的。
蘇斌介紹道：“從地球上看月球，根據(jù)顏色不同，可以分為高地和月海，月海由黑色的玄武巖組成，這些玄武巖是月幔部分融熔產(chǎn)生的巖漿，經(jīng)火山噴發(fā)到達(dá)月表，之后凝固而成的巖石?！币?yàn)樵潞＠锏倪@些玄武巖是月球火山活動(dòng)的產(chǎn)物，通過對(duì)其進(jìn)行采樣研究，就可以了解月表的演變過程。
月海被劃分為60個(gè)玄武巖單元，按照年代從老到新依次排序，嫦娥五號(hào)登陸點(diǎn)位于第三年輕的玄武巖單元——這一單元的地質(zhì)年齡基本接近于月球火山活動(dòng)結(jié)束的時(shí)間。相比之下，蘇聯(lián)的月球號(hào)與美國的阿波羅著陸點(diǎn)都位于“靜?！薄柏S?！钡仍虑虻途暥葏^(qū)域地質(zhì)年代較老的地區(qū)，所采集的樣本自然無法準(zhǔn)確反映月球火山最遲在何時(shí)結(jié)束。
樣品雖好，但研究起來仍不容易。一方面，使用探測器從月球千里迢迢將樣本運(yùn)回，成本是一筆天文數(shù)字，每一粒月壤都彌足珍貴；另一方面，“月球上沒有生物學(xué)和化學(xué)風(fēng)化過程、缺乏全球尺度的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，又經(jīng)歷了強(qiáng)烈的太陽風(fēng)化改造、長期遭受隕石撞擊改造。這就導(dǎo)致月球表面的樣品經(jīng)過了‘千錘百煉’，通常是比較細(xì)小且混雜的，很難得到有確切地質(zhì)構(gòu)造信息的樣品。”李金華介紹道。正因如此，傳統(tǒng)的大樣品和粉末分析法就無能為力，必須讓位給更加精細(xì)的單顆粒樣品研究法，從每一顆細(xì)微的月壤顆粒入手。
▲如何利用有限的珍貴樣品獲得盡可能多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)？中科院地質(zhì)所等單位協(xié)同開展研發(fā)工作，建立了一套行之有效的樣品單顆粒綜合分析的工作流程，對(duì)于后續(xù)的嫦娥六號(hào)月壤返回及小行星采樣返回等均具有重要的參考意義（圖片來源：中科院地質(zhì)地球所）
李獻(xiàn)華院士領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，在對(duì)嫦娥五號(hào)樣品中47塊玄武巖巖屑中的51顆直徑在3微米以上的含鋯礦物進(jìn)行超高空間分辨率放射性同位素測定，并通過統(tǒng)計(jì)分析得出這些玄武巖顆粒的年代范圍為距今20億年左右。與此同時(shí)，中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)研究所北京離子探針中心研究員劉敦一的團(tuán)隊(duì)對(duì)獲得的2克月壤樣品進(jìn)行研究測量，證明月球至少在19.6億年前依然存在火山活動(dòng)。這比“月球”探月任務(wù)和“阿波羅”登月任務(wù)所采集的最年輕的月壤樣本還要年輕8億歲，極大刷新了人們對(duì)月球火山歷史活動(dòng)的認(rèn)知。李獻(xiàn)華和劉敦一團(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究分別發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《自然》《科學(xué)》上。
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破解月球“年輕之謎”
上述研究成果，也引出了新的問題：月球這種小體量的天體，它的火山活動(dòng)為什么能比理論多維持8億年？
在嫦娥五號(hào)取樣返回之前，學(xué)界對(duì)月球“保持青春”有若干解釋。第一種解釋支持者最多，認(rèn)為在月球內(nèi)部一定存在某種熱源，這些熱源來自多種富集的放射性元素，它們?cè)谒プ兎磻?yīng)中不斷釋放熱量，導(dǎo)致月球深層巖石升溫發(fā)生熔融，從而延緩了火山巖漿的冷卻。嫦娥五號(hào)所登陸的克里普地體，除了富含鉀、稀土和磷等不相容元素外，還有鈾、釷等放射性生熱元素，因此不少專家相信在這個(gè)區(qū)域一定能找到支持這一解釋的證據(jù)。
然而，現(xiàn)實(shí)卻與推斷大相徑庭——中科院地質(zhì)地球所研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品的同位素分析表明，這一地區(qū)的玄武巖同位素特征與克里普巖存在明顯差異：其鍶-釹同位素組成非常虧損，鈾/鉛比值更是很小，這表明該地區(qū)玄武巖的產(chǎn)生并非得益于克里普巖的貢獻(xiàn)。因此，認(rèn)為放射性熱源是維持月球火山活動(dòng)原因的假說也就不攻自破了。
另一種解釋則認(rèn)為，月幔中富集著大量的水，這些水會(huì)降低源區(qū)物質(zhì)的熔點(diǎn)，使得月幔更容易發(fā)生熔融，從而延后了火山巖漿的固化速度。不少學(xué)者據(jù)此推斷，月?？赡茉?jīng)非常“濕潤”，這樣就能解釋月球火山活動(dòng)的年齡問題。但科研團(tuán)隊(duì)使用納米級(jí)離子探針對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品中的包裹體和磷灰石水-氫同位素組成進(jìn)行測定后，推斷月幔源區(qū)的水含量非常低。這說明在月球火山活躍時(shí)期，并沒有出現(xiàn)月幔水導(dǎo)致源區(qū)熔點(diǎn)降低的現(xiàn)象，這一假說也被排除了。
▲掃描電鏡與電子探針實(shí)驗(yàn)室工程師原江燕分析嫦娥五號(hào)月壤成分（圖片來源：中科院地質(zhì)地球所）
兩種主流假說先后被推翻，研究人員不得不從其他角度入手尋找答案。在對(duì)上述兩個(gè)假說進(jìn)行驗(yàn)證的過程中，研究人員總結(jié)到，月幔熔融的本質(zhì)，就是月幔的溫度超過“固相線”。通過升高溫度和降低熔點(diǎn)這兩種方式，就能推遲月球火山活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間。雖然研究排除了放射性熱源的可能性，但月幔加熱仍可以通過月球的潮汐或沖擊作用實(shí)現(xiàn)；雖然研究否定了水分在月幔中起到的作用，但改變?cè)箩Ｔ磪^(qū)的其他物質(zhì)組成仍可解釋其熔點(diǎn)變化。
“因此，破解月球火山活動(dòng)的突破口，在于準(zhǔn)確限定火山巖漿起源的溫度和壓力，恢復(fù)其月幔源區(qū)的物質(zhì)組成。在此基礎(chǔ)之上，與古老的‘阿波羅’玄武巖對(duì)比，重建月球熱-巖漿演化模型?！碧K斌這樣解釋道。
正是在這種大膽假設(shè)的指引下，由中科院地質(zhì)地球所的陳意、蘇斌等科研人員組成的團(tuán)隊(duì)，從嫦娥五號(hào)月壤樣品中選取了27顆代表性巖屑，采用新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量面掃描技術(shù)，對(duì)巖屑的成分進(jìn)行了定量分析，從而獲得了樣品的初始巖漿成分。在與美國“阿波羅”任務(wù)取回的玄武巖進(jìn)行對(duì)比后，研究者發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)玄武巖的初始巖漿中鈣與鈦元素含量更高——這些物質(zhì)本身具有易熔的特點(diǎn)，能夠顯著降低月幔的熔點(diǎn)，從而有效延長月球的火山活動(dòng)。原來，為月球這樣的天體補(bǔ)充鈣與鈦等物質(zhì)，也能起到“延年益壽”的功效。
▲月球不同時(shí)期巖漿及熱演化示意圖（圖片來源：中科院地質(zhì)地球所）
而根據(jù)初始巖漿成分，陳意、蘇斌研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算獲得了月球研究起源的溫度和壓力，最終以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)了屬于月球地質(zhì)活動(dòng)的“編年史”：距今38億-31億年前，月球在“大撞擊”脫離地球后不久，被熾熱的巖漿所覆蓋，其月幔潛溫高達(dá)1440攝氏度；到了距今20億年前，月球逐步冷卻，月幔潛溫降到了1360度，相比前10億年，此時(shí)月球內(nèi)部溫度僅降低了80度，這種降溫幅度與地球早期大致相當(dāng)，比此前人們想象的要緩慢不少。
“基于對(duì)嫦娥五號(hào)玄武巖的研究，我們?yōu)榻忉屧虑驘嵫莼岢隽艘粋€(gè)新的模型——盡管月球內(nèi)部在持續(xù)緩慢冷卻，但是隨著月球巖漿洋晚期結(jié)晶的易熔組分不斷加入到深部月幔，為月?！a(bǔ)鈣補(bǔ)鈦’，還降低了月幔的熔點(diǎn)，引發(fā)長期持續(xù)的月球火山活動(dòng)?！碧K斌總結(jié)道。
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