嫦娥五號月壤研究有重要發現

業界 | 2021-10-21 08:31:41
時間:2021-10-21 08:31:41   /   來源: 光明日報      /   點擊數:()

2021年7月12日,嫦娥五號任務第一批月球科研樣品正式發放給國內13家科研機構,中國科學院取得了其中5克樣品。3個月過去了,這5克月壤能告訴我們什么?

中國科學院10月19日發布嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果,多項突破性進展給出了對月球演化的全新認識。該系列研究由中科院地質與地球物理研究所(以下簡稱地質地球所)和國家天文臺主導,聯合多家研究機構共同開展,相關成果形成4篇論文,在《國家科學評論》發表1篇,在國際學術期刊《自然》發表3篇。

人們經常用“火力壯”來形容一個人具有生命活力。如果星球也有生命,那么巖漿活動,就是星球是否還有“火力”的表現。論文的通訊作者、地質地球所研究員李獻華院士說:“地球如此有活力的原因之一,就是內部還有巖漿活動。但是月球已經喪失了生命力。那么,月球的巖漿活動是什么時候停止的呢?”

要研究已經噴發過的火山,是看巖漿活動的產物——玄武巖。對美國、蘇聯的月球樣本和地球上月球隕石的研究已證實,月球的巖漿活動至少持續到大約28~30億年前,古老的巖漿噴發活動留下的黑色玄武巖形成了所見的“月海”。但是,對于這個問題,科學界一直存在爭議。

嫦娥五號的著陸區是精心選擇過的,“科學家曾以一種統計區域撞擊坑的大小和數量的方法,推斷嫦娥五號著陸區是月球最年輕玄武巖單元之一,這一區域的年齡為10~30億年。”李獻華介紹,在研究中,科研人員利用超高空間分辨率鈾-鉛(U-Pb)定年技術,對嫦娥五號月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物(斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石)進行分析,確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年,證實月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年——也就是說,月球直到20億年前仍存在巖漿活動,比以往月球樣品限定的巖漿活動停止時間延長了約8億年。

對月球玄武巖進行精確定年后,接下來的問題就是,月球最晚期巖漿活動的成因究竟是什么?

文章主要作者之一、地質地球所研究員楊蔚介紹,目前科學界存在兩種可能的解釋:巖漿中富含放射性元素以提供熱源,或富含水以降低熔點。“簡單地說,要么有熱源,要么是因為熔點低,更容易形成巖漿。放射性元素提供熱源是目前學術界的主流假說。”

但在此次的研究中,科學家取得了意料之外的結果。這里就要提到一種物質:克里普物質。

簡單地說,克里普物質是指富集鉀、稀土元素、磷等的物質,它們在地球化學上被稱為“不相容元素”,意為不容易進入到固體中的元素。是否富含克里普物質,從某種程度上可以反映火山活動的熱源從何而來。

研究發現,嫦娥五號玄武巖樣品具有富集克里普物質的特征。“我們的研究揭示這是由于巖漿經過大量礦物結晶分異后,殘余部分富集而來。這一結果排除了嫦娥五號著陸區巖石初始巖漿熔融熱源,來自放射性生熱元素的主流假說,揭示了月球晚期巖漿活動過程。”李獻華介紹。

月球上究竟有沒有水?在回答這個問題之前,首先要明確一個概念:這里說的“水”和日常生活中的“水”不是一個概念。

日常生活中說有沒有“水”,一般是指流動的液態水,或者固態的冰。李獻華解釋:“我們地質研究中所說的‘水’往往是礦物中是不是含有水分子或羥基。一旦具備合適的條件,比如溫度上升、礦物分解,它們就可以變成水。”

在此次研究中,科研團隊利用地質地球所納米離子探針研發的分析技術,測定嫦娥五號玄武巖中的水含量和氫同位素組成,獲得月幔源區的水含量僅為1~5微克/克,也就是說月幔非常“干”。這一發現也排除了月幔初始熔融時因水含量高而具有低熔點的猜想。

這批由我國科學家主導獨立完成的嫦娥五號月球科研樣品研究成果,得到國際專家的高度評價,美國新墨西哥大學月球與行星科學研究所高級研究員查爾斯·席勒、卡內基研究所研究員理查德·加爾森等認為該系列成果“提供了迄今為止月球上確定的最年輕的玄武巖的證據”“改變了我們對月球的熱歷史和巖漿歷史的認識”“對我們認識月球起源和演化具有重要的意義”。

研究仍在繼續,月壤將繼續把月球的奧秘告訴我們。李獻華說:“這些成果解決了關于月球的一些疑問,但也對月球熱演化歷史提出了新的科學問題。例如,月球冷卻如此之慢的原因還并不清楚,需要全新的理論框架和演化模型,對未來的月球探測和研究提出了新的方向,我們的工作仍需努力。”

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