從月壤齏粉中，科學家們已然窺見月球演化的些許玄機|圖源：pixabay.com導讀2020年底，中國的月球探測器“嫦娥五號”登陸月球上一塊相對年輕的地區(qū)，并挖取和鉆取了1.731公斤的月球樣品。今年7月，第一批科學家們通過申請獲得部分樣品。

從月壤齏粉中，科學家們已然窺見月球演化的些許玄機 | 圖源：pixabay.com

導 讀

2020年底，中國的月球探測器 “嫦娥五號” 登陸月球上一塊相對年輕的地區(qū)，并挖取和鉆取了1.731公斤的月球樣品。

今年7月，第一批科學家們通過申請獲得部分樣品。3個月后，從這些月壤齏粉中，科學家們已然窺見月球演化的些許玄機。

撰文｜王一葦

責編｜陳曉雪

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從小麥面粉顆粒大小的月球玄武巖碎片中，中國的研究者發(fā)現(xiàn)，月球上已知最年輕的火山在20.30 ± 0.04億年前才陷入沉寂，比此前報告的月球其他區(qū)域火山在30億年前已經(jīng)“死掉”的結果晚了10億年，也比最年輕的月球隕石（月球遭小行星撞擊飛濺落到地球上的巖石，年齡為28-29億年）晚了8~9億年。這意味著，至少在20億年前，月球內(nèi)部還在進行著演化。

北京時間10月19日下午5點，《自然》（Nature）雜志在線加速發(fā)表了中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所等機構的上述發(fā)現(xiàn) [1]。

與這一測年論文同時發(fā)表的，還有另外兩篇論文：一篇測定了月球玄武巖樣品的地球化學成分，發(fā)現(xiàn)玄武巖的月幔源區(qū)（即月幔中巖漿曾經(jīng)活躍的區(qū)域）中克里普組分（KREEP，月球上一種黃褐色玻璃狀礦物，富集鉀K、磷P和稀土元素REE）較少，得出月幔中不富含放射性生熱元素的結論；另一篇則測定了玄武巖樣品中熔體包裹體和磷灰石的水含量，得出月幔含水量較少的結論。[2,3]

中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所的李獻華院士說，月球質(zhì)量?。ㄖ挥械厍虻?.2%），人們通常認為月球的熱保持能力比較差，散熱很快，但他們的研究結果提出了新的可能性：月球的散熱不一定那么快。李獻華是此項月球樣品研究的主要負責人、測年論文的共同通訊作者。

這三篇論文的樣品，均來自于名為 “風暴洋”（Oceanus Procellarum）的月球北部月海中呂姆克（Mons Rümker）山北部，由中國 “嫦娥五號” 月球探測器在2020年12月17日帶回地球。這些發(fā)現(xiàn)，也是中國國家航天局探月與航天工程中心（下稱探月中心）自2021年7月12日發(fā)放第一批月球樣品后，又一批發(fā)表的研究成果。

美國東部時間10月7日，中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所在《科學》（Science）雜志上發(fā)表論文，得出月球玄武巖的凝固時間大約為19.63±0.57億年 [4]。

此次新發(fā)布的定年結果與上述年齡在誤差范圍內(nèi)基本一致，且通過測量更多樣品提高了該結果的準確性。

“兩個研究團隊的結果激動人心且令人印象深刻，” 加州大學戴維斯分校（University of California, Davis）地球與行星科學系教授尹慶柱說，“這是中國科學家取得的重要成果。從獲得樣品開始不到4個月的時間收集數(shù)據(jù)、解析結果、撰寫論文并在主流科學期刊上發(fā)表，代表了研究團隊們巨大的成就和艱巨的努力！非常令人印象深刻！”

01 月球變冷速度比想象中慢，可能的原因是什么？

李獻華告訴《知識分子》，此前的撞擊坑計數(shù)統(tǒng)計研究認為，呂姆克山北部的巖漿可能在較晚的年代仍在活動，是因為這個區(qū)域表面的放射性生熱元素含量高，所以推測該區(qū)域有足夠能量來維持火山活動。

圖1 嫦娥五號及此前登陸探測器采樣點的分布情況，左圖為估算月球表面地形年齡，右圖為釷（放射性生熱元素物質(zhì)）熱力圖，可以看到嫦娥五號所在地點較為年輕，且放射性生熱元素較高 | 圖源：Lin and Yang, 2021, The Innovation

他們最近發(fā)表的研究首先確定，巖石形成較晚的估計是對的?！半m然過去估計的不那么精準，但（這一位置的）巖石確實很年輕，這是個值得高興的事”。

其他兩項發(fā)現(xiàn)，則為解釋這一現(xiàn)象提出了新的問題。

之前的估計認為，巖漿形成時間晚，一個影響因素是放射性生熱元素含量比較多，比如鉀、鈾和釷。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員楊蔚和同事的研究顯示，風暴洋北部月幔的放射性生熱元素并不富集，與阿波羅玄武巖的月幔源區(qū)相當 [2]。“說明放射性元素并非導致這里巖漿活動的主要原因。” 李獻華解釋說。

另外，水含量也能影響月幔源區(qū)巖石的熔融溫度。以前的假設是，水含量高，會導致巖石由固態(tài)熔融為液態(tài)的溫度降低，也就是說，在月球變冷的過程中，巖漿凝結需要更長時間。胡森等人的水含量研究發(fā)現(xiàn) [3]，“巖石母體的水含量并不高，大概只有1-5μg.g-1（每克樣品中含1至5微克），跟阿波羅樣品比較明顯是偏低的?！?李獻華說。這也就排除了高水含量導致巖漿活動年代晚的猜想。

尹慶柱說，這幾項工作提出了一些 “關于月球熱演化的有趣問題”。“在這樣的條件下，月球這樣一個小天體如何保持晚期的巖漿活動?” 他說，“我期望看到一系列建模工作，以使行星科學界理解這些數(shù)據(jù)提供的信息。”

李獻華介紹，影響月球散熱的因素還有一個，那就是壓力，需要做進一步的研究。

“也許我們對月球的熱演化估計有問題，需要重新思考，” 李獻華說，“最近的（其他）研究發(fā)現(xiàn)，月球表面有十幾米厚的月壤層，保溫性特別好，像鴨絨被一樣。所以月球雖然小，但散熱不一定很快。”

02 從 “遠觀” 到 “近賞” 的月球研究

尹慶柱說，這批同位素法測年結果，補上了月球研究中“撞擊坑計數(shù)法”在10億年到30億年這個時間段的計算缺陷。

在無法取得月壤時，科學家們只能通過 “數(shù)坑” 的方式計算月球表面地體的年齡，推算它的演化：由于月球上大氣稀薄，隕石撞擊是常事，而撞擊坑往往保留比較完整。撞擊坑多且層層疊疊的地方，形成年代比較久遠；撞擊坑少的地方則比較年輕。這種方式稱為 “撞擊坑計數(shù)法”，也可以用于太陽系的其他行星，如金星和火星。

經(jīng)過長時間發(fā)展，“撞擊坑計數(shù)法” 已經(jīng)成為推算月球演化的重要工具。對30億年以上的地體，它的推測比較準確，但對30億年以下的 “年輕” 地體，不同科學家的推測往往差異巨大，通常誤差在5到10億年之間。

圖2 “撞擊坑計數(shù)法”研究領域有一條著名的定年曲線，但這條曲線在10-30億年的位置非常平坦，估計誤差很大。此次的測年結果“錨定”了年代數(shù)據(jù)，對于“撞擊坑計數(shù)法”的精度提高至關重要 | 圖源：Li et al., 2021, Nature

李獻華說，這一工作，對于校準 “撞擊坑計數(shù)法”，以應用于更多天體的研究也有重要意義。

03 “挑面粉”

月球樣品珍貴，實驗是個精細活。

為了避免地球物質(zhì)對樣品的污染，地質(zhì)與地球物理研究所專門為月球樣品研究建造了一間月球潔凈實驗室，每立方米直徑大于0.5微米的顆粒物控制在幾千以內(nèi)。此外，用于放置樣品和實驗的手套箱充滿了氮氣，氧氣分壓和水分壓都很低，避免了污染。

由于月球幾乎是真空環(huán)境，表層月壤因為多次撞擊而細碎，一毫米以上的碎片都很少。一個典型的月球科研樣品編號是一串字母和數(shù)字的集合，其中開頭的 “CE5” 代表嫦娥五號，中間的“YJ”代表研究，“GP” “YX” 和 “FM” 分別代表三種類型的樣品：直徑最大的光片、較小的巖屑和最細碎、直徑僅幾百微米的粉末。

圖3 李獻華申請到的“嫦娥五號”月球樣品 | 圖源：[1]

李獻華團隊申請到的5個科研樣品主要是巖屑和粉末樣。第一個挑戰(zhàn)，就是從一堆幾十微米的巖屑中挑出稍大的幾百微米的巖屑片。普通面粉的顆粒直徑是75微米，而據(jù)李獻華介紹，月壤顆粒的平均粒度也就只有幾十微米。

“想想看，要是在一堆‘白面粉’里有幾顆‘黑面粉’，難度非常大。” 李獻華說。

實驗室中間有一個正壓的手套箱，壓強大于外部，里面充滿了氮氣，穿著潔凈服的研究人員眼睛盯著放大幾十倍的雙目鏡，將手伸入手套洞，手上捏著一根非常細的不銹鋼針，慢慢地挑揀。

圖4 論文的作者之一李金華在手套箱旁操作，旁邊是技術人員郭倩和馬紅霞 | 圖源：任輝

挑揀出來的玄武巖巖屑，用環(huán)氧樹脂制成樣品靶，拋光后，先用掃描電鏡在巖屑進行圖像分析、識別各種礦物，特別是尋找富鈾的含鋯礦物（如斜鋯石）；然后，將樣品靶鍍一層約20納米厚的金，放入離子探針，用一次氧離子束 “打”到礦物上，“輕輕掃掉”表面上的金，然后測量礦物的鉛同位素組成并計算年齡。

之所以要尋找含鋯礦物，是因為這種礦物形成時富集鈾、但基本不含鉛，因此離子探針測得的鉛基本上是放射成因的，可以獲得可靠的同位素測年結果。

在幾百微米大小的碎片里，含鋯礦物通常只有幾微米的寬度，這時離子探針的分析束斑要非常小，才能準確覆蓋礦物，束斑過大會分析到覆蓋于礦物顆粒間縫隙中可能遺留的微量金（含有極微量的鉛），就有可能計入不屬于樣品的放射成因鉛，影響測年結果。

李獻華團隊使用的離子探針分析束斑直徑小于3微米，是目前最高空間分辨率的高精度離子探針定年技術。

圖5 論文中展示的一份玄武巖樣品，左圖可以看到含鋯礦物處于b點位置；右圖是放大的b點，白色位置為含鋯礦物，測點指向的陰影為離子探針打過之后留下的痕跡 | 圖源：李獻華

研究人員共測定了47個樣品的年齡，得出結論：在 “風暴洋” 這片年輕的月海里，玄武巖結晶固結于約20.3億年前，這一結果的誤差值僅有上下四百萬年。

而10月發(fā)表的《科學》論文中，僅通過含鋯礦物定年測出的結果是20.11 ± 0.50億年，與以上結果更為接近。

04 小插曲：國際合作是與非

在 “嫦娥五號” 帶回月壤之前，中國研究者僅有的關于月壤的研究實踐，來自于1978年中國接受美國捐贈1克月壤中的一半。因此，有實際月壤研究經(jīng)驗的人并不多。

李獻華介紹，目前國內(nèi)月壤的研究者們，有一些是從事地質(zhì)學研究的學者，一些是行星科學家，還有一些則來自地球物理、地球化學等領域，大部分也是在 “邊做邊學”。李獻華是一名研究同位素的地球化學家，他的團隊此前針對地外樣品開發(fā)了多種高精度的分析技術。

月壤研究申請的評審會于6月在北京舉行，每個申請人只有大約13分鐘的時間闡述研究計劃和回答專家提問。在第一批提交申請的37個隊伍中，最后來自13個機構的17個申請人獲得了樣品，其中包括李獻華團隊。

今年10月7日發(fā)表的《科學》文章，是最早發(fā)布的 “嫦娥五號” 月球樣品研究。由于論文署名中出現(xiàn)了不少外國專家，有一位還是通訊作者，引起了一些關注。中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所副教授 Ross N Mitchell 認為，通訊作者一般是給項目的領頭科學家的榮譽，而中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所此舉 “too kind”（過于慷慨）[5]。

“所有的科學家都應該知道，科學論文署名的基本原則是什么，是按照貢獻的?！崩瞰I華說。

《知識分子》聯(lián)系了《科學》文章的通訊作者、澳大利亞科廷大學教授 Alexander Nemchin。他說，他和項目申請人、中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所研究員劉敦一已認識31年，關于月壤研究的合作早在 “嫦娥五號” 之前就已經(jīng)開啟。四年前，兩人討論認為可以合作研究月球樣品，由他向NASA申請獲得阿波羅號帶回來的樣品。

而在此次 “嫦娥五號” 樣品的合作研究中，為了論文盡快發(fā)表，Nemchin提出由自己起草英文論文稿，最初他將自己的名字放在末位，劉敦一后將他列為通訊作者。

“我覺得提出質(zhì)疑的人并沒有參與過真正的（國際）合作，” 他說，“對我來說，合作是一種與欣賞的人共同開展感興趣的研究的能力?！?/p>

論文另一位通訊作者劉敦一告訴《知識分子》，Nemchin是地質(zhì)研究所的訪問學者。研究的主要工作在地質(zhì)所完成，而討論和分析則由中外的團隊成員們在線上開展。Nemchin作為論文起草人，列位通訊作者是為了方便和編輯部溝通。

劉敦一說，國際合作是科學發(fā)展的必然途徑，“取長補短”并不丟人。合作也是相互的。十年前，他曾與美國華盛頓大學的學者共同研究阿波羅12號帶回的月球樣品，發(fā)布的論文中他是第一作者。

由中國國家航天局制定的《月球樣品管理辦法》規(guī)定，國家航天局鼓勵開展基于月球樣品的空間科學國際聯(lián)合研究工作，促進成果的國際共享 [6]。據(jù)《知識分子》了解，目前公布的月球科研樣品尚未向外國申請人開放，但并未限制中國申請人的團隊中引入外籍專家。

7月，第一批樣品發(fā)放時，負責月球樣品管理的探月中心副主任裴照宇在《人民日報》的采訪中說，當時 “還沒有收到國外科研機構提交的正式申請”，但 “國家航天局鼓勵開展月球樣品的國際聯(lián)合研究，國外科學家可以通過加入國內(nèi)科研團隊等方式共同開展樣品研究工作。國家航天局正在會同有關部門制定月球樣品國際合作相關規(guī)則，報中央批準后實施。” [7]

小提示

月球樣品信息向公眾開放

讀者們可以訪問探月中心網(wǎng)站獲取具體信息：

https://moon.bao.ac.cn/moonSampleMode/

參考文獻：

[1]Li, QL., Zhou, Q., Liu, Y. et al. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

[2]Tian, HC., Wang, H., Chen, Y. et al. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5

[3]Hu, S., He, H., Ji, J. et al. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9

[4]Che, Xiaochao, et al. "Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5." Science (2021): eabl7957.

[5]https://www.chinadaily.com.cn/a/202110/13/WS6166764ca310cdd39bc6ea6a.html

[6]http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/18/content_5580772.htm

[7]http://finance.people.com.cn/n1/2021/0713/c1004-32156005.html