月球月幔中既沒有放射性生熱元素 亦沒有大量水的存在
發(fā)布時(shí)間:2021-10-25 13:22:18 文章來源:羊城晚報(bào)
北京時(shí)間10月19日,國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了三篇中國嫦娥五號(hào)月球樣品研究結(jié)果的論文,為月球熱演化和化學(xué)演化提供了新知:月球內(nèi)部

北京時(shí)間10月19日,國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了三篇中國嫦娥五號(hào)月球樣品研究結(jié)果的論文,為月球熱演化和化學(xué)演化提供了新知:月球內(nèi)部在約20億年前仍在演化,但與此前猜測不同,月幔中既沒有放射生熱元素,亦沒有大量水的存在。

羊城晚報(bào)記者檢索發(fā)現(xiàn),三篇論文標(biāo)題分別為《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》、《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》以及《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》,通訊作者分別為中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員李獻(xiàn)華、研究員楊蔚以及副研究員胡森。

這三篇論文的樣品,均來自于名為“風(fēng)暴洋”的月球北部月海中呂姆克山北部,由中國嫦娥五號(hào)月球探測器在2020年12月17日帶回地球。這是中國國家航天局探月與航天工程中心自2021年7月12日發(fā)放第一批月球樣品后,發(fā)表的研究成果。

月球巖漿20億年前仍在活動(dòng)

月球火山活動(dòng)是分析月球演化進(jìn)程的重要依據(jù),火山活動(dòng)停止表明月球失去了內(nèi)動(dòng)力,也即地質(zhì)意義上的“死亡”。以往對(duì)美國、蘇聯(lián)的月球樣本進(jìn)行的放射同位素測年顯示,大部分月球火山活動(dòng)在約28億至29億年前停止,古老的巖漿噴發(fā)活動(dòng)留下的黑色玄武巖形成了“月海”。

這一次,中國科學(xué)家們的研究成果對(duì)舊有認(rèn)識(shí)提出了挑戰(zhàn)。

在第一篇論文《Twobillion-year-oldvolcanismontheMoonfromChang’E-5basalts》中,李秋立等研究人員對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品中47塊不同結(jié)構(gòu)的玄武巖碎屑進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì),重點(diǎn)分析了玄武巖最具代表的定年對(duì)象——含鋯礦物,包括斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石。利用自主研發(fā)的超高空間分辨率鈾-鉛(U-Pb)定年技術(shù),對(duì)3微米以上的50多顆含鋯礦物進(jìn)行了精確測試。

最終,科學(xué)家們得到了誤差范圍內(nèi)相同的結(jié)果,即20.30±0.04億年。

這一發(fā)現(xiàn)更新了月球最“年輕”的玄武巖樣品年齡為20億年,將以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)停止時(shí)間延長了8億—9億年。該論文認(rèn)為,這項(xiàng)研究首次提供了月球巖漿活動(dòng)至少持續(xù)到20億年前的確鑿證據(jù)。

月球最晚期的巖漿活動(dòng)為何比此前推測的時(shí)間晚呢?李獻(xiàn)華說,月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因一直是未解之謎,目前科學(xué)界認(rèn)為存在兩種可能的解釋:巖漿源區(qū)中富含放射元素以提供熱源,或富含水以降低月幔熔點(diǎn)。

沿著這兩種研究思路,研究人員們對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品進(jìn)行了進(jìn)一步探究,取得了兩項(xiàng)意料之外的結(jié)果。

月球變冷速度比想象中慢

放射元素提供熱源是目前學(xué)術(shù)界的主流假說。但第二篇論文《Non-KREEPoriginforChang’E-5basaltsintheProcellarumKREEPTerrane》中,楊蔚和同事的研究表明,月球年輕玄武巖來源的產(chǎn)熱元素含量似乎比預(yù)期的要低,這一結(jié)果也意味著,月球內(nèi)部有著比預(yù)想中更為持久的冷卻歷史。

按照之前的設(shè)想,嫦娥五號(hào)著陸區(qū)為克里普地體,可能溶出這些巖石的源區(qū)也富集不相容元素。簡單地說,克里普物質(zhì)是指富集鉀、稀土、磷等元素的物質(zhì),這些元素不容易進(jìn)入到固體中,在地球化學(xué)上被稱為“不相容元素”。月球巖石中的克里普物質(zhì),從某種程度上可以反映火山活動(dòng)的熱源從何而來。

最新研究發(fā)現(xiàn),嫦娥五號(hào)玄武巖樣品具有富集克里普物質(zhì)的特征,但“這是由于巖漿經(jīng)過大量礦物結(jié)晶分異后,殘余部分富集而來”。

研究人員采用世界最高空間分辨的激光原位分析方法,分別在80微米和20微米尺度獲得長石的鍶(Sr)和白磷鈣礦的釹(Nd)同位素,這也是迄今為止微區(qū)Sr-Nd同位素分析方法首次應(yīng)用于月球樣品研究。研究結(jié)果表明,嫦娥五號(hào)月球樣品上鍶和釹同位素與克里普具有顯著的差異,其在形成過程中,克里普組分的貢獻(xiàn)不足0.5%。

而這一發(fā)現(xiàn)也意味著,維持月球長期火山活動(dòng)的,并非月幔中富含克里普。

該論文指出,嫦娥五號(hào)所采集、形成于20億年前的玄武巖的起源表明,當(dāng)時(shí)月球內(nèi)部比阿波羅采樣的約在35億年前形成的更原始玄武巖形成時(shí)要冷得多,“盡管經(jīng)歷了相當(dāng)大的長期冷卻,但一定有某種機(jī)制使月球地幔中的熔融區(qū)直到20億年前才凝固。一種可能的機(jī)制是,月球上厚厚的絕緣外層充當(dāng)了熱蓋,導(dǎo)致冷卻速度足夠慢”。

對(duì)此,李獻(xiàn)華解釋稱,這一結(jié)果排除了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)巖石初始巖漿熔融熱源來自放射生熱元素的假說。

月幔源區(qū)幾乎沒有水的存在

在第三篇論文《AdrylunarmantlereservoirforyoungmarebasaltsofChang’E-5》中,胡森和同事測定了嫦娥五號(hào)玄武巖樣品中巖漿包裹體和磷灰石的水含量,得出月幔含水量較少的結(jié)論。

此前,根據(jù)阿波羅任務(wù)以來的分析,一直認(rèn)為月球是無水的。過去十年原位分析技術(shù)的進(jìn)步,使研究者能對(duì)月球樣品進(jìn)行微觀尺度的水豐度分析,對(duì)其月幔水豐度的估計(jì)范圍差異達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí),這表明月球內(nèi)部并不像曾經(jīng)認(rèn)為的那樣“干”。

該論文指出,關(guān)于月球內(nèi)部水的來源和分布仍存在許多問題,因此,研究來自新地區(qū)的年輕玄武巖樣本可為月球中水的時(shí)空演化提供重要線索。

在得到嫦娥五號(hào)月球樣品后,研究人員利用高空間分辨的納米離子探針對(duì)樣品的水含量和氫同位素組成進(jìn)行了測定。研究人員估算出,嫦娥五號(hào)月球樣品月幔源區(qū)每克巖石的水含量僅為1-5微克,表明嫦娥五號(hào)玄武巖的源區(qū)非常“干”。與阿波羅樣品反推的月幔相比,這是水含量最低的月幔。

研究人員指出,這一發(fā)現(xiàn)也排除了月幔初始熔融時(shí)因水含量高而具有低熔點(diǎn),導(dǎo)致該區(qū)域長時(shí)間巖漿活動(dòng)的猜想。

月球的探測和研究有新方向

此次發(fā)表在《自然》雜志的三篇論文,及更早前發(fā)表在《國家科學(xué)評(píng)論》上的一篇論文,作為由我國科學(xué)家主導(dǎo)獨(dú)立完成的嫦娥五號(hào)月球科研樣品研究的首批成果,得到國際專家的高度評(píng)價(jià)。

“迄今為止,月球歷史上在30億年前到10億年前之間到底有沒有巖漿活動(dòng)、火山噴發(fā)的數(shù)據(jù)記錄是一片空白,中國科學(xué)家發(fā)表的嫦娥五號(hào)月球樣品研究成果填補(bǔ)了這項(xiàng)空白。”國際知名同位素地球化學(xué)和宇宙化學(xué)家、美國加州大學(xué)戴維斯分校教授尹慶柱認(rèn)為,阿波羅樣品已經(jīng)研究了半個(gè)世紀(jì),科學(xué)界仍然有新的發(fā)現(xiàn)被發(fā)表,人類對(duì)于月球的認(rèn)知也在不斷被刷新,“嫦娥五號(hào)月球樣品的分析研究才剛剛開始,展望未來,當(dāng)它被詳細(xì)研究50年之后,人類對(duì)于月球和太陽系的認(rèn)知將會(huì)帶來多大的提升!”

國際知名行星科學(xué)家、德國拜羅伊特大學(xué)教授奧德蕾·布維爾認(rèn)為,精確的年代學(xué)研究結(jié)果表明,嫦娥五號(hào)月球樣品玄武巖形成于20億年前,比以往認(rèn)為月球巖漿活動(dòng)停止時(shí)間晚了10億年,“這些研究結(jié)果也為月球年輕巖漿活動(dòng)的成因提出了新的問題和研究方向”。

事實(shí)上,在嫦娥五號(hào)帶回月壤之前,中國科學(xué)家關(guān)于月壤的研究實(shí)踐,來自于1978年美國捐贈(zèng)的1克月壤。彼時(shí),面對(duì)僅有的1克樣品,中國科學(xué)家們最多只能用0.5克。在這樣的前提下,全國相關(guān)科研力量集結(jié)起來進(jìn)行細(xì)致入微的科學(xué)研究,先后耗時(shí)4個(gè)月,發(fā)表14篇科研論文,回答了月壤取自何處、成分結(jié)構(gòu)如何等問題。

如今,通過對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品的研究,人類終于對(duì)月球的歷史有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),也提出了新的科學(xué)問題:究竟是什么使月球“活”到了至少20億年前?

“月球冷卻如此之慢的原因并不清楚,需要全新的理論框架和演化模型。”李獻(xiàn)華表示,這對(duì)未來的月球探測和研究提出了新的方向。

據(jù)悉,中國科學(xué)院正在積極推動(dòng)月球樣本研究的國際合作,目前中科院與法國科研中心,在月球樣本合作研究方面已達(dá)成初步共識(shí)。(記者李妹妍)

標(biāo)簽: 月球月幔 放射性 生熱元素 月球樣品

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