嫦娥五號《自然》三連發，關於月球我們又知道了什麼？
10月19日，《自然》雜誌連發3篇論文，公佈了中國科學院地質與地球物理研究所主導的，對嫦娥五號月球樣品的研究成果。3篇論文分別涉及了月球岩漿活動時間、岩漿活動的熱源及含水量，新的研究成果爲一些重要的科學問題提供了新的線索，但這些線索也引出了新的問題……
撰文 | 白德凡 二七
審校 | 二七
2020年12月17日，嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗着陸，成功將約1.73千克的月球物質帶回了地球。這是我國首次完成地外天體的樣品採集，也是人類時隔40多年後，再次從月球採集回樣品。
此前可供人類研究的月球物質主要來自美國阿波羅計劃和蘇聯月球號計劃採集回的樣品，以及少部分掉落在地球上的月球隕石。嫦娥五號的採樣，更新了人類40年來的月球樣品庫。而且由於其採樣地點的地質年齡較爲年輕，填補了過去月球樣品年齡的空缺，對研究月球的演化有極高的價值。
2021年7月12日，第一批嫦娥五號月球科研樣品正式發放。在接收月球樣品之前，中國科學院地質與地球物理研究所的科學家已經演練過全部操作流程，做好了展開研究工作的充分準備。在接收到樣品後，研究團隊在16天內完成了三篇論文，並投稿到《自然》雜誌。就在昨天，三篇論文在線發表，距離研究啓動只過了100天。
“最年輕”的區域
今天的月球表面荒涼、沉寂，然而時間撥回到30億年前，那時月球的地質活動還很活躍，火山噴發活動形成了大片的的黑色玄武岩。對來自美國、蘇聯的月壤樣本和月球隕石的研究已證實，月球表面的岩漿活動至少持續到大約28至30億年前，但是，對於月球岩漿活動停止的確切時間，科學界一直沒有定論。
之前科學家通過放射性同位素定年測得，當時獲得的月岩樣品年齡均大於28億年，這意味着月球的岩漿活動至少持續到了28億年前。此外科學家還有另一種方法推測月球岩石的年齡——“撞擊坑定年法”：行星或衛星表面越古老的區域，累計遭受隕石的撞擊越多，撞擊坑數量也就越多；反之，越年輕的區域，累積遭受的撞擊越少。通過統計行星或衛星表面單位面積內的撞擊坑大小和數量，科學家可以估算這塊區域的形成年代。而本次嫦娥五號採樣的地點，正是通過撞擊坑定年法推測較爲年輕的月球區域。
接收到嫦娥五號月球樣品後，中國科學院地質與地球物理研究所的李獻華院士帶領團隊立即開展定年工作。研究團隊利用超高空間分辨率鈾-鉛定年技術，對嫦娥五號帶回的玄武岩岩屑中多種礦物進行了定年分析，確定玄武岩形成於20.30±0.04億年前。也就是說，月球直到20億年前仍存在岩漿活動，將月球的地質活躍時間延長了約8億年。
是什麼使得月球上的岩漿活動持續瞭如此之久？這一直是個未解之謎。目前科學界存在兩種主流假說：岩漿中的放射性元素提供了熱源，或是岩漿富含水分以降低熔點。現在，嫦娥五號採集的月球樣品爲檢驗這兩種假說提供了機會。
“失蹤”的克里普
一種月球演化理論認爲，在月球形成之初，曾被深達數百千米的岩漿海覆蓋。但隨着岩漿不斷結晶分異，較難進入岩石的組分在殘餘的岩漿中不斷富集，集中在月球的殼-幔之間，這些殘餘的熔體被稱爲“克里普（urKREEP）”，這一名稱來源於鉀（K）、稀土（REE）、磷（P）元素的富集。一種假說認爲，是克里普富含的鈾（U），釷（Th），鉀（K）等放射性元素，爲月球持續的火山活動提供了熱源。
月球岩漿洋模型示意圖，圖中urKREEP即爲克里普（圖片來源：http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223876.html，改自Jennifer Rapp）
嫦娥五號採集回玄武岩樣品後，楊蔚研究員帶領團隊分析了其中的礦物和化學成分，發現它比阿波羅號和月球號帶回的樣品都更加富含稀土元素，但這是否來源於克里普的貢獻呢？答案是不一定。因爲稀土元素作爲不相容元素（不容易進入岩石中的元素），在“正常”岩漿經過大量礦物結晶固化後，也會在殘餘岩漿中富集，這些殘餘岩漿噴出形成的玄武岩也可能含有高比例的稀土元素，卻不一定和克里普有關。
爲了確定嫦娥五號玄武岩中稀土元素的來源，研究團隊繼續分析了樣品的鍶（Sr）、釹（Nd）、鉛（Pb）等同位素。結果表明：嫦娥五號玄武岩的鍶（Sr）和釹（Nd）同位素與克里普具有顯著的差異。進一步計算表明，在這些玄武岩的形成過程中，月幔克里普組分的貢獻不足0.5%。這一發現意味着，維持月球長期火山活動的可能並非月幔中的克里普組分。
月幔是“幹”的
與此同時，另一個研究團隊正在驗證月球是“乾的”還是“溼的”。月球的形成衆說紛紜，其中得到最廣泛認可的，是“大撞擊起源”假說。簡單來說，這個假說認爲一個火星大小的天體與原始地球碰撞，濺出的碎片聚集形成了月球。由於水屬於強揮發性的物質，在月球“成型”的過程中，水會以氣態形式向太空逃逸。換句話說，這樣誕生的月球，應當幾乎不含水，是一個“乾透了”的星球。
由此可見，月球是否含水，或者含水量的多少，與月球的起源有着密切的關係。從2008年，科學家分析阿波羅任務採集的火山玻璃開始，對月球樣品的含水量分析層出不窮。然而不同的研究給出了非常不同的結果，差異可達兩個數量級。月球到底是“幹”還是“溼”，成爲了大家都很關注的問題。
造成月球含水量長期爭議的原因之一，是阿波羅樣品和月球隕石的年齡都很老，因此這些樣品很可能在成巖後經歷過劇烈的改造，與不同來源的岩石（甚至包括外星來源）混雜在一起，並不能反映月幔源區的真實含水量。
好消息是，這次嫦娥五號採集帶回的樣本是目前獲得的最年輕的玄武岩，爲回答月球的“幹”、“溼”提供了極佳的機會。研究者使用了高空間分辨率的納米離子探針，來分析玄武岩中的微小的岩漿包裹體——在岩漿結晶的過程中，礦物內部會“捕獲”一些岩漿樣品，通過分析這些包裹體，就能直觀地瞭解岩漿結晶過程中的成分演變。
研究顯示，嫦娥五號玄武岩月幔源區的水含量僅爲1~5微克/克，這是一個 “非常幹”的數值。這或許是因爲嫦娥五號着陸區的月幔經過了更長時間的岩漿活動，從而使大部分水分釋放到了太空中；也可能是月幔的水含量非常不均一，然而目前還沒有機制能夠解釋月幔含水量的差異。
讓我們回到最初的問題，什麼讓月球“活”了這麼久？從新研究看來，嫦娥五號着陸區異常活躍的火山活動既不是由於克里普中的放射性元素，也不能歸因於月幔源區富含水。這些新發現與此前對月球的認識有很大不同，改變了我們對月球的熱歷史和岩漿歷史的認知，對進一步瞭解月球的起源和演化具有重要的意義。
參考鏈接：
https：//www.nature.com/articles/s41586-021-04100-2
https：//www.nature.com/articles/s41586-021-04107-9
https：//www.nature.com/articles/s41586-021-04119-5
http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223859.html
http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223878.html
http://www.igg.cas.cn/xwzx/yjcg/202110/t20211018_6223876.html
http://www.igg.cas.cn/xwzx/zhxw/202110/t20211019_6225644.html
本文轉自環球科學