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10月19日 ， 《自然》杂志连发3篇论文 ， 公布了中国科学院地质与地球物理研究所主导的 ， 对嫦娥五号月球样品的研究成果 。 3篇论文分别涉及了月球岩浆活动时间、岩浆活动的热源及含水量 ， 新的研究成果为一些重要的科学问题提供了新的线索 ， 但这些线索也引出了新的问题……
撰文 | 白德凡 二七
审校 | 二七
2020年12月17日 ， 嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗着陆 ， 成功将约1.73千克的月球物质带回了地球 。 这是我国首次完成地外天体的样品采集 ， 也是人类时隔40多年后 ， 再次从月球采集回样品 。
此前可供人类研究的月球物质主要来自美国阿波罗计划和苏联月球号计划采集回的样品 ， 以及少部分掉落在地球上的月球陨石 。 嫦娥五号的采样 ， 更新了人类40年来的月球样品库 。 而且由于其采样地点的地质年龄较为年轻 ， 填补了过去月球样品年龄的空缺 ， 对研究月球的演化有极高的价值 。
2021年7月12日 ， 第一批嫦娥五号月球科研样品正式发放 。 在接收月球样品之前 ， 中国科学院地质与地球物理研究所的科学家已经演练过全部操作流程 ， 做好了展开研究工作的充分准备 。 在接收到样品后 ， 研究团队在16天内完成了三篇论文 ， 并投稿到《自然》杂志 。 就在昨天 ， 三篇论文在线发表 ， 距离研究启动只过了100天 。
“最年轻”的区域
今天的月球表面荒凉、沉寂 ， 然而时间拨回到30亿年前 ， 那时月球的地质活动还很活跃 ， 火山喷发活动形成了大片的的黑色玄武岩 。 对来自美国、苏联的月壤样本和月球陨石的研究已证实 ， 月球表面的岩浆活动至少持续到大约28至30亿年前 ， 但是 ， 对于月球岩浆活动停止的确切时间 ， 科学界一直没有定论 。
之前科学家通过放射性同位素定年测得 ， 当时获得的月岩样品年龄均大于28亿年 ， 这意味着月球的岩浆活动至少持续到了28亿年前 。 此外科学家还有另一种方法推测月球岩石的年龄——“撞击坑定年法”：行星或卫星表面越古老的区域 ， 累计遭受陨石的撞击越多 ， 撞击坑数量也就越多；反之 ， 越年轻的区域 ， 累积遭受的撞击越少 。 通过统计行星或卫星表面单位面积内的撞击坑大小和数量 ， 科学家可以估算这块区域的形成年代 。 而本次嫦娥五号采样的地点 ， 正是通过撞击坑定年法推测较为年轻的月球区域 。


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接收到嫦娥五号月球样品后 ， 中国科学院地质与地球物理研究所的李献华院士带领团队立即开展定年工作 。 研究团队利用超高空间分辨率铀-铅定年技术 ， 对嫦娥五号带回的玄武岩岩屑中多种矿物进行了定年分析 ， 确定玄武岩形成于20.30±0.04亿年前 。 也就是说 ， 月球直到20亿年前仍存在岩浆活动 ， 将月球的地质活跃时间延长了约8亿年 。
是什么使得月球上的岩浆活动持续了如此之久？这一直是个未解之谜 。 目前科学界存在两种主流假说：岩浆中的放射性元素提供了热源 ， 或是岩浆富含水分以降低熔点 。 现在 ， 嫦娥五号采集的月球样品为检验这两种假说提供了机会 。
“失踪”的克里普
一种月球演化理论认为 ， 在月球形成之初 ， 曾被深达数百千米的岩浆海覆盖 。 但随着岩浆不断结晶分异 ， 较难进入岩石的组分在残余的岩浆中不断富集 ， 集中在月球的壳-幔之间 ， 这些残余的熔体被称为“克里普（urKREEP）” ， 这一名称来源于钾（K）、稀土（REE）、磷（P）元素的富集 。 一种假说认为 ， 是克里普富含的铀（U） ， 钍（Th） ， 钾（K）等放射性元素 ， 为月球持续的火山活动提供了热源 。