嫦娥五号首批样品中隐藏的月球密码

来源:紫金山天文台 发布时间:2021年12月20日

2020年12月,我国首次月球采样返回任务——嫦娥五号,在月球正面的风暴洋北部一举成功返回了1731克样品。这是继1976年苏联“月球(Luna)24号”最后一次月球采样任务44年之后再次返回月球样品,也是人类首次在月表最年轻火山岩区进行采样。那么嫦娥五号首批月球样品为我们揭示了哪些重大科学问题呢?

月球迄今最年轻的火山活动记录

如果把火山活动产生的岩浆比喻为一颗星球的“血液”,那么“血液”最后一次流动的时间代表星球的地质寿命结束的时间。地球体积大能量足,至今依然有火山活动。火星(直径约为地球的一半)在2亿年前停止火山活动,成为一颗死亡星球。月球(直径约为火星的一半)是何时死亡的一直是科学家们关心的问题。

精准的放射性同位素定年结果显示,美国Apollo和苏联Luna返回样品的年龄大于30亿年,月球陨石的年龄大于28亿年。中国科学家对嫦娥五号首批月球样品的47块不同结构的玄武岩碎屑进行了分析统计,利用自主研发的超高空间分辨率铀(U)-铅(Pb)定年技术,对3微米以上的51颗含锆矿物(斜锆石、钙钛锆石、静海石等)进行了离子探针分析,最终得到了一个精确的年龄:20.30±0.04亿年。这一发现将月球最年轻的玄武岩样品年龄更新为20亿年前,意味着月球“血液”流动的时间(即月球的地质寿命)延长了8 - 9亿年。

20211215170002_26326d.jpg

地球、火星和月球(等比例)直径大小与火山活动持续时间对比,可以看出,星球体积越小,地质寿命越短 │ 图源:紫金山天文台

类地行星撞击坑统计定年关键锚点

月球是一部太阳系45亿年的行星暴力史书,完整地记录并保留了整个历史时期的小行星撞击事件。通常来说,月球上地质单元的年龄关系简单地遵循叠加定律:上层的岩石更年轻,下层的岩石更古老。另外,小行星撞击月表是随机发生的,所以理论上任何一块月面被撞击的几率都是相等的。更古老的地区,会积累更多的撞击坑,由此形成了一种利用撞击坑分布密度估算行星的表面年龄的方法——撞击坑统计定年法。

得益于美国6次阿波罗计划(返回样品381.69 kg)和苏联3次月球计划(321 g),科学家们用返回样品的绝对年龄将相应的地质单元进行标定,建立了撞击坑统计定年曲线。然而,由于缺乏年轻的月球样品,定年曲线在10-30亿之间没有定标点。嫦娥五号样品正好填补了这一空白,为这条定年曲线在20亿年处提供了一个关键锚点,极大地提高了撞击坑统计定年方法的精度。这不仅可以帮助科学家更好地确定月球表面其他地区的地质年龄,还可以用来确定水星、金星、火星和小行星等类地行星表面的地质年龄。

20211215170003_372123.jpg

嫦娥五号样品在月球撞击坑统计定年曲线上提供了关键锚点 │ 图源:修改自文献[2]

月幔真的很“干”

目前大量观测事实认为,月球起源于一次大碰撞,由碰撞抛射出去的高温岩浆和气体冷凝而成。经此过程,水等挥发成分大量丢失,因此理论上月球应该是一个很“干”的星球。然而,不同科学团队估算的月幔水含量从无水(“Bone Dry”)到富水(高达200微克/克),变化达两个数量级,导致月球的“干”“湿”之争持续了几十年。

嫦娥五号返回样品作为迄今为止最年轻的玄武岩,地质背景清晰,经历的后期改造(如小行星和彗星撞击、太阳风粒子注入等)最少,是回答这一问题的绝佳对象。科学家利用高空间分辨率纳米离子探针,分析了矿物和熔体包裹体的水含量和氢同位素组成,估算嫦娥五号样品的月幔源区的水含量仅为1-5微克/克,表明月幔非常之“干”。

20211215170004_466b35.jpg

月球内部的水含量随时间分布。嫦娥五号样品结果显示,月幔明显低于前人估算的水含量 │ 图源:修改自文献[1]

嫦娥五号岩浆源区未见克里普组分

月球形成之初,曾被深达数百公里的岩浆洋覆盖。随着温度降低,岩浆开始固化,形成岩石。当岩浆洋结晶程度达到约98%时,不相容元素(不喜欢进入固体,而喜欢进入熔体的元素)在残余熔体中高度浓缩,最终在月壳和月幔之间形成一个薄薄的克里普岩(缩写KREEP音译,因富集钾K、稀土元素REE和磷P而得名)夹层。克里普岩富含放射性生热元素如:铀(U)、钍(Th)和钾(K)。

遥感探测数据显示,月表最年轻的火山活动主要分布在月球正面一个叫风暴洋克里普地体的地方(就是月球正面的“桂花树”所在地),那里也是全月表最富集钍的地方。因此,长期以来,克里普组分中的放射性元素衰变产生的热量被认为是维持月球长时间火山活动的主要能量来源。然而,高精度的锶(Sr)、钕(Nd)、铅(Pb)同位素结果显示,嫦娥五号的月幔源区与克里普岩的特征相去甚远。

20211215170005_528e79.jpg

月球正面玄武岩与钍(Th)含量分布图。A代表美国阿波罗(Apollo)任务采样点,L代表苏联月球(Luna)任务采样点 │ 图源:修改自文献[6]

月球最年轻火山活动的热源成谜

嫦娥五号返回样品的首批科研成果大大地刷新了我们此前对月球火山活动的认知,同时对月球热演化历史也发出追问。月球的直径不到地球的1/3,对于具有如此大表面积/体积比的星球来说,它本应该迅速冷却,早早地结束地质生命,停止岩浆活动。为什么月球的火山活动可以持续到20亿年前这么晚?

此前科学界存在两种可能的猜测:月幔岩石中富含放射性生热元素以提供热源,或者月幔富含水以降低岩石熔点,这样就不需要大量热量也可以产生岩浆。然而,嫦娥五号源区既没有克里普组分加入,也不含水,这意味着我们也许需要一个全新的理论框架或热演化模型来揭开月球保持地质“长寿”的秘密。

嫦娥五号着陆区可能存在多期火山活动

月海玄武岩主要分布在月球的盆地中,且以月球正面居多,可能是100至400公里深处的月幔部分熔融形成的。和地球上的同类岩石相比,它具有较高且变化较大的TiO₂含量,从 0.2到 16.5 wt.%,相差达到约80倍。这样大的成分变化范围不仅反映了月幔深处堆晶岩分布的不均一性,也反映了月球岩浆过程的高度复杂性。因此通过不同类型的月海玄武岩,可以研究月球深部物质成分、岩浆过程随时间和空间的演化。

20211215170005_5c3edb.jpg

一种相对罕见的高钛月海玄武岩(编号CE5C0000YJYX065) │ 图源:紫金山天文台[7]

2021年7月12日,中国科学院紫金山天文台首批申请获得了两块嫦娥五号月球玄武岩样品。利用高分辨率显微CT、扫描电镜、电子探针等技术对其中一个样品(编号CE5C0000YJYX065)开展了详细的矿物化学和三维断层成像研究。多项证据表明,不同于目前已报道的嫦娥五号中钛和低钛月海玄武岩类型,CE5C0000YJYX065是一种相对罕见的高钛月海玄武岩,这表明嫦娥五号着陆区历史上可能曾经发生过多次火山喷发活动,将有望解读月幔源区不同物质成分和月球晚期火山活动的精细时空分布规律。月壤样品的CT视频 │ 图源:紫金山天文台

参考文献:

[1] Hu et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9.

[2] Li et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2.

[3] Tian et al., Nature, 2021. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5.

[4] Li et al., National Science Review, 2021. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188.

[5] Che et al., Science, 2021. https://doi.org/10.1126/science.abl7957.

[6] Yang and Lin, The Innovation, 2021. https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100070.

[7] Jiang et al., Science Bulletin, 2021. https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.12.006.