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月球是如何“延寿”8亿年的？嫦娥五号带回的样品揭开秘密

月球 嫦娥五号


月球是如何“延寿”8亿年的？嫦娥五号带回的样品揭开秘密


月球一直“活到”了什么时候？这是月球演化历史研究中科学家一直想了解的一个重大科学问题 。
一年前 ， 中科院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）的科学家们利用嫦娥五号带回的月球样品 ， 证明月球在距今20亿年前仍喷发过滚烫的岩浆 ， 使已知的月球地质寿命“延长”了8亿到9亿年 。
那么 ， 月球是如何“延寿”的？现在该所研究员陈意团队给出了潜在答案 。 他们通过研究嫦娥五号带回的月壤岩屑发现 ， 月幔在20亿年前比30多亿年前含有更多的钙和钛 ， 导致月幔熔点降低 ， 且月幔经历十几亿年的冷却后 ， 温度仅降低了约80摄氏度 ， 并据此提出新的月球热演化模型 。 相关成果10月22日发表于《科学进展》 。

嫦娥五号玄武岩与阿波罗玄武岩形成示意图 。 受访者供图
“由子及母”探寻月球保持活力的秘密
与地球类似 ， 月球形成于约45亿年前 ， 但其质量约只有地球的1% 。 如此小的天体 ， 理论上应该快速冷却而早早停止火山活动 ， 成为死亡星球 。 但去年10月 ， 对嫦娥五号月壤样品的首批研究 ， 刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知 ， 也提出了新的科学问题——月球如何活到20亿年前？
【月球是如何“延寿”8亿年的？嫦娥五号带回的样品揭开秘密】“就像地球的地幔一样 ， 月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆经火山喷发至月球表面冷却结晶形成的岩石 。 ”陈意向《中国科学报》解释 ， 对于持续冷却的月幔发生部分熔融 ， 国际学者曾提出两种假说：放射性元素生热导致月幔升温、加水降低月幔熔点 。
然而 ， 中国科学家对嫦娥五号玄武岩的研究揭示月幔源区并不富含放射性生热元素 ， 且非常“干” ， 排除了以上两种假说 。
月球火山活动为什么能持续如此之久？这成为新一轮月球研究中的未解之谜 。
陈意表示 ， 要想破解这一谜团 ， 前提是确立嫦娥五号玄武岩起源的深度和形成的温度 ， 即月幔发生部分熔融时的温度和压力条件 。 在此基础上 ， 将其与更古老的阿波罗玄武岩进行对比 ， 即可建立全新的月球岩浆-热演化模型 。
大多数阿波罗玄武岩形成于距今38亿—31亿年前 ， 由美国阿波罗计划的6次载人登月任务于20世纪六七十年代采集带回地球 。
我国嫦娥五号玄武岩从月幔源区喷发至月表过程中 ， 经历了高程度的结晶分离等一系列演化过程 ， 玄武岩成分发生了显著改变 ， 如何准确恢复其初始岩浆的成分 ， 成为限定岩浆起源深度和温度的关键 。
“打个比方 ， 嫦娥五号玄武岩就像月球的小儿子 ， 阿波罗玄武岩是月球的大儿子 ， 他们是月球这个母亲在不同年龄阶段生的孩子 ， 两个儿子的元素含量存在差异 。 ”陈意打比方道 ， “通过这种差异 ， 可以反向推演‘母亲’生它们时的身体状态 ， 也就是月球当时的内部状态 。 ”
嫦娥五号土壤样品平均粒度仅有50微米 。 粒度越小 ， 意味着其中所含矿物量等信息越少 。 研究团队建立了若干标准 ， 试图在其中找到颗粒更大、矿物种类更全、矿物分布更均匀的岩屑作为初始成分 ， 反向推演彼时月球内部发生的情况 。
最终 ， 他们从600多颗岩屑中选取了27颗具有代表性的岩屑 ， 采用最新研发的扫描电镜能谱定量扫描技术 ， 分析了岩屑的主要成分 ， 结合一系列岩石学和热力学模拟计算 ， 成功恢复了嫦娥五号玄武岩的初始岩浆成分 ， 并与阿波罗低钛玄武岩的初始岩浆进行对比 ， 发现了月球保持活力的两个潜在“秘诀” 。
一方面 ， 嫦娥五号玄武岩的初始岩浆比阿波罗玄武岩的初始岩浆含有更高的钙和钛组分 ， 即月幔在20亿年前比30多亿年前含有更多的钙和钛 。 这部分物质恰恰是月球岩浆洋晚期结晶的产物 ， 且具有易熔的特性 ， 它的加入会显著降低月幔的熔点 ， 诱发月幔部分熔融形成年轻的月球玄武岩 。
另一方面 ， 模拟计算结果显示 ， 嫦娥五号玄武岩比阿波罗玄武岩的形成温度更低 ， 即月球内部经历十几亿年的持续冷却 ， 温度仅仅降低了约80摄氏度 。
他们据此提出新的月球热演化模型：月球岩浆洋晚期结晶的易熔物质 ， 逐渐加入到了月幔 ， 不仅为月幔“补钙补钛” ， 而且导致月幔熔点降低 ， 从而克服了缓慢冷却的月球内部环境 ， 引发了长期持续的月球火山作用 。
“裹毯子”维持“年轻”与“热度”

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