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《自然》三连发:月球“延寿”8亿年,动力成谜!嫦娥五号月壤研究提出行星科学重大新问题

发布时间:2021-10-19

来源:文汇报 许琦敏【字号:

  10月19日下午,国际学术期刊《自然》同时在线发表了这三篇来自亚博yabo888vip网页版登录地质与地球物理研究所的研究成果。研究证明,嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩,填补了美国和前苏联月球采样任务的“空白”。

  根据研究团队分别针对嫦娥五号月球样品年龄、源区性质和水含量三个科学问题的研究发现,就在20亿年前,月球还“活着”,喷发过滚烫的岩浆,比此前预计的28至30亿年推迟了整整8至10亿年。

  然而,与科学家之前的猜测不同,月幔中既没有放射性生热元素,又没有大量水的存在,使科学家又遇到了新课题——究竟是什么使月球“活”到了至少20亿年前?

  以小时计速

  7天完成月壤实验

  2020年12月17日,嫦娥五号样品舱成功着陆在我国内蒙古四子王旗,带回了1731克月球样品。这是我国首次完成地外天体样品采集,也是时隔44年,人类再次从月球采回样品。

  2021年7月12日,第一批嫦娥五号月球科研样品正式发放。当亚博yabo888vip网页版登录科学家接到样品后,立刻投入到紧张的研究中。

  就在12日当天下午,他们就投入实验,仅用20多小时就完成了样品的初步鉴定和分选。7天内完成样品的年龄、矿物、元素和同位素分析,16天完成样品年代学以及月幔地球化学特征和水含量研究论文,并投稿到《自然》编辑部——三篇论文在线发表,总共只用了100天!

  “在月壤样品到来之前,我们已经把所有的技术环节都演练过了。”地质地球所嫦娥五号样品研究组骨干、该所研究员杨蔚说,研究组48名科研人员平均年龄仅39岁,几乎从未接触过月球研究,但每个人都各尽所能,不眠不休地展开研究。

  从样品中选取需要的岩石碎片(也叫岩屑),是研究人员遇到的第一关。“这些碎片与地球岩石差别较大,我们第一次在显微镜挑选时,也不太确定。”杨蔚说,他们把部分碎片放在电镜下鉴定之后,再去样品中挑选。

  由于“选材”精准,在分到的3克样品中,他们只损耗了150毫克,剩余的已经归还给中科院探月工程地面应用中心,供别的研究团队继续研究。

  就在这100天里,中国科学家获得了嫦娥五号着陆区岩浆年龄、源区性质的新认识。

  精确测定

  20亿年前月球还“活着”

  嫦娥五号在月球上的着陆点位于风暴洋西北处吕姆克山附近,远离“阿波罗”和“月球号”采样点,那里有着月球最年轻的月海玄武岩。

  行星是有“生命”的,其标志就是岩浆活动。一旦岩浆活动停止,就意味着行星的“死亡”。来自美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究已证实,月球上的岩浆活动至少持续到大约28至30亿年前,古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了所见的“月海”。

  但是,对于月球岩浆活动停止的确切时间,科学界一直存在争议。尤其是嫦娥五号采集带回的月海玄武岩,科学家预测其年龄在距今10亿年至30亿年间。

  为何精确确定这些岩石的年龄如此困难?地质地球所嫦娥五号样品研究组负责人、中科院院士李献华解释,过去,科学家以统计撞击坑数量来大致判定岩石年龄——被小天体撞出的坑越多,岩石就越古老。可真要精确定年,还需要高分辨率的矿物分析设备。

  “这些岩屑含铁高、含镁低,结构各不相同,但都来自于同一次玄武岩喷发事件。”李献华说,在观察了100多个岩屑后,他们从中挑选了50多个具有代表性的样本。

  由于样品岩屑90%以上都只有3至5微米大小,得益于地质地球所耗费十多年发展起来的、测定精度高达3微米的超高空间分辨率铀-铅定年技术,研究团队顺利确定出,玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。

  这说明,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。这一年代的精确测定数据,还为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点,将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。

  新课题浮现

  月球何以维持长时间岩浆活动

  那么,月球这8亿年的“寿命”是如何维持延续的?

  月球最晚期岩浆活动的成因一直是行星科学的未解之谜。目前,科学家认为存在两种可能解释:其一是月球岩浆源区富含生热元素以提供热源,其二是该区域富含水以降低熔点。

  围绕这两种可能性,地质地球所与国家天文台团队对嫦娥五号月壤样品中的玄武岩岩屑进行了年代学和岩石地球化学研究。结果却令他们大为意外。

  利用地质地球所研发的超高空间分辨率同位素分析技术,研究团队发现,嫦娥五号玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”——这几种元素在地球化学上被称为“不相容元素”,意为不容易进入到固体中的元素。

  嫦娥五号样品富集克里普物质的特征,是在岩浆后期形成的,因此排除其月幔源区富含放射性生热元素的主流假说,从而揭示了月球晚期岩浆活动过程。

  而且,他们还发现,嫦娥五号玄武岩的岩浆源区并不富含水,其月幔源区每克岩石的水含量仅为1-5微克,可以说月幔非常“干”。科研人员指出,这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点,导致该区域长时间岩浆活动的猜想。

  “这就需要科学家通过更多研究,去给出月球演化的新解释。”李献华说,嫦娥五号样品研究的第一批成果,恰恰推开了一扇新的科学之门。

  “嫦娥”将写续篇

  补全月球演化历史

  通过嫦娥五号带回样品的研究,人类终于对月球“死亡”前的历史,有了更加清晰的认识。然而,月球最初是怎样形成的,还是一个谜团。在欧阳自远看来,把这一头一尾两段月球演化史补全,中国科学家会做出独到的贡献。

  他透露,“嫦娥工程”后续任务,将可能飞到月球背面最古老的岩层,将样本带回地球。“嫦娥四号在月球背面着陆,仅在月面进行探测,并未带回样品,嫦娥六号将可能实现这个愿望”。

  据悉,亚博yabo888vip网页版登录正在积极推动月球样本研究的国际合作,目前中科院与法国科研中心在月球样本合作研究方面已达成初步共识。

(责任编辑:侯茜)

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