哔哩哔哩2024-10-17 06:40:23发布:小玻璃珠藏着月球火山活动的大秘密

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月球是目前人类地外探索的重要目标。研究人员使用地球物理学、地球化学等方法对月球进行了深入的研究，而代表天体地质活力的火山活动是其中的一个研究热点。月球上的火山活动虽然已经停止，但是明确月球火山活动的历史和停止的时间，能够帮助研究人员进一步理解月球的演化。研究人员除了可以使用各类探测器对月球进行研究外，还可以实施采样返回并在地球上的实验室中对月球样品进行细致的研究和分析。

嫦娥五号样品中的玻璃珠。（图片来源：中科院地质地球所）

2024年9月6日，由中国科学院地质与地球物理研究所（以下称“中科院地质地球所”）、中国科学院大学地球与行星科学学院、南京大学地球科学与工程学院、纽约州立大学大气与环境科学系等机构的研究人员组成的研究团队在《科学》（Science）上发表了一篇论文，宣布他们通过研究嫦娥五号样品，发现月球在1.2亿年前仍然存在火山活动，刷新了研究人员此前对月球地质活动的认识。

论文共同通讯作者、中科院地质地球所副研究员何雨旸在接受南方周末采访时表示：“这一火山活动时间的确认，使月球火山活动期限比此前延长了约19亿年，对以往的月球热演化模式提出了重大挑战。”

月球上的火山活动

20世纪60年代至70年代，美苏两国在太空争霸的时代里，都把月球作为主战场并实施了月球采样。美国在6次阿波罗载人登月任务中均对月球进行了采样，而苏联也在月球16号、月球20号和月球24号这3次任务中成功完成了月球无人采样。

根据主流天体演化理论，早期月球的表面曾经被熔岩覆盖，但月球这样大小的天体会很快散失自身的热量，岩浆也会很快凝固，从而几乎丧失地质活力，成为一颗“死星”（Dead Planet）。研究人员通过分析美苏9次月球采样获得的样品以及收集到的月球陨石，发现这些岩石的年龄基本上都大于30亿年，所以学术界长期认为月球的火山活动在30亿年前就已经停止。

从20世纪70年代后期开始，第一轮月球探索热潮逐渐沉寂下来。自1976年月球24号完成采样返回后，研究人员在四十多年时间里没有获得新的月球样品，这种状况直到嫦娥五号任务才得以改变。2020年12月17日，嫦娥五号返回器携带1731克月球样品在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆。这是中国首次月球采样返回任务，也是世界上第10次月球采样返回任务。在此之后，一系列基于这些样品的研究成果陆续问世，其中包括事关月球火山活动的重要发现。

2021年，中科院地质地球所等机构的研究人员在《自然》（Nature）上发表论文，宣布在对嫦娥五号的月壤玄武岩样品进行精确定年后，发现月球在20亿年前仍然存在较大规模的岩浆活动。这一发现将月球的地质生命延长了大约10亿年，对传统的月球热演化模型提出了挑战。

在样品中大海捞针

《自然》上的这篇论文发表后，摆在研究人员面前的问题是：20亿年前是否就是月球火山活动的终点？月球表面的地质情况为研究人员回答这个问题提供了更多线索。对月海环形穹状构造的地貌学观察和撞击坑统计定年结果显示，月球在晚哥白尼纪（8亿年前至今）可能仍然存在火山活动。不规则月海斑块是月球表面一种以多孔结构和撞击坑较少为特征的特殊地形构造，有研究人员认为这种构造是非常晚近的火山活动的产物，最近甚至可能距今只有1亿年。

除了较大规模的岩浆活动形成的火山岩，火山活动还有其他产物，例如较小规模的火山喷泉会形成火山碎屑，而其中就含有火山玻璃珠。对火山玻璃珠进行定年也可以追溯月球岩浆活动的历史。因此，研究人员为了确定月球火山活动结束的时间，把目光投向月球样品中的火山玻璃珠上。中科院地质地球所李秋立研究员领导的研究团队申请并获批约3克嫦娥五号样品，用于开展月球火山玻璃珠的研究。

他们从样品中挑选出约3000颗玻璃珠，但是这些玻璃珠并非都是由火山活动形成的。在月球上，更加常见的玻璃珠是由于陨石撞击导致月球表面物质熔融、熔体溅射分离并快速冷却而形成的冲击玻璃珠。而陨石撞击在形成冲击玻璃珠的同时，也会对火山玻璃珠产生影响。因为火山玻璃珠的质量和体积都很小，大小一般只有几十到几百微米，所以陨石撞击可以把这些火山玻璃珠运移到比火山岩分布更为广泛的地方。这样一来，与火山岩相比，在月球样品中就更可能发现经过远距离运移的火山玻璃珠，这也是研究人员选择火山玻璃珠作为研究突破口的原因。

火山玻璃珠形成的模式图。（图片来源：中科院地质地球所）

不过，即使月球样品中存在火山玻璃珠，想发现它们也非常困难。除了火山玻璃珠本身非常小、冲击玻璃珠相对火山玻璃珠数量更多外，两种玻璃珠的外表和成因也有相似之处，这些都对识别火山玻璃珠构成了很大的挑战。

研究人员使用前人在研究阿波罗样品中的玻璃珠时给出的玻璃珠成因判别标准，对约3000颗玻璃珠进行了初筛，发现其中有大约800颗可能是火山玻璃珠，其他则是冲击玻璃珠。接下来，他们根据通过主量元素识别火山玻璃珠的标准，对这些火山玻璃珠候选颗粒进行电子探针（EPMA）成分分析，把范围大大缩小，遴选出13颗候选颗粒。

此后，他们又使用微量元素作为判别标准，重点关注其中的镍（Ni）元素。因为在火山玻璃珠中镍含量与氧化镁（MgO）含量呈正相关，而因为月壤中存在高镍含量的陨石残留成分所以冲击玻璃珠通常具有高镍含量的特点。他们使用离子探针（SIMS）对这13颗颗粒进行研究，进一步筛选出6颗火山玻璃珠候选颗粒。

冲击玻璃珠形成的模式图。（图片来源：中科院地质地球所）

在玻璃珠的形成过程中，其中含有的硫元素会不断挥发，但不会挥发殆尽。硫元素有4个稳定的同位素，分别是32S、33S、34S和36S，其中32S占到约95%，34S占到约4.2%。在形成过程中，不同质量的同位素的丢失速率不同，因此最终形成的玻璃珠中34S和32S的比值与初始岩浆中的比值不同。此前的研究发现，在火山玻璃珠形成过程中，34S丢失得更快；而在冲击玻璃珠形成过程中，32S丢失得更快。

这个研究团队使用硫同位素分析的方法对6颗颗粒进行分析后，发现其中3颗具有火山玻璃珠的特征，进而判定这3颗玻璃珠是火山活动形成的。

韩国基础科学研究所的尤里·阿梅林（Yuri Amelin）和美国加州大学戴维斯分校教授尹青朱（Qing-Zhu Yin）在同期《科学》上发表的一篇评论文章中指出，这个研究团队“大海捞针”般的努力得到了回报；同时，这种使用硫同位素来确定玻璃珠起源的方法不仅可以用于未来的月球研究中，也可以用于对其他小天体的样品的分析中。

1.2亿年前也许不是终点

李秋立等人通过离子探针对这3颗火山玻璃珠进行铀—铅（U-Pb）同位素定年，发现这些玻璃珠的年龄为123±15百万年，即它们是在大约1.2亿年前形成的，这说明在这一时期月球上还存在火山活动。与此前约20亿年前的火山活动时间下限相比，这一研究把月球的“活力期”大大延长近19亿年。何雨旸在采访中指出，这项研究对重新思考月球热演化模型有重要的意义，并为理解小型天体的火山活动演化持续时间提供参考。

研究人员在论文中对如此年轻的火山活动的机制进行了探讨。他们从这3颗火山玻璃珠的化学组成入手，探寻形成火山玻璃珠的源区特征信息。3颗火山玻璃珠富集Na2O、K2O、P2O5以及稀土等不相容元素，表明其源区存在较高比例的钾+稀土+磷（KREEP）组分。他们进而推测，富含KREEP组分的源区具有较多的放射性元素，衰变产生的热量导致月幔局部热异常，从而引发部分物质熔融产生岩浆并喷出地表。因此，虽然目前研究人员还没有发现较大规模的晚期月球岩浆活动，但可能存在局部的小规模火山喷发。

3颗火山玻璃珠的形成时间虽然已经确定，但是围绕它们还有更多谜团有待研究人员去破解。例如，这些火山玻璃珠是在哪里形成的？是什么原因导致了形成这些火山玻璃珠的火山活动？在从20亿年前到1.2亿年前跨度这么大的时间范围内，是否还存在未被发现的火山活动？以及在月球上有没有比1.2亿年这个时间下限更年轻的火山活动？

想要回答这些问题，还是要把目光投向月球样品上。研究人员利用嫦娥五号样品在月球火山活动研究中取得了丰硕的成果，而在这1731克的样品中，得到充分研究的只是非常小的一部分，其中可能还蕴藏着大量能够揭开月球形成与演化谜团的关键线索。与此同时，嫦娥六号又为研究人员提供了更多极有价值的研究材料。

2024年6月25日14时07分，嫦娥六号返回器携带1935.3克月球样品降落在内蒙古四子王旗着陆场，标志着探月工程嫦娥六号任务取得圆满成功，实现世界首次月球背面采样返回。在继续对嫦娥五号的样品进行深入研究的同时，研究人员已经开始对嫦娥六号的样品进行初步研究并获得首批研究成果。

与嫦娥五号相比，嫦娥六号采样区具有更加复杂的地质演化历史。嫦娥五号样品和嫦娥六号样品分别来自月球的正面和背面，构成展示月球演化历史的重要拼图，帮助研究人员更加完整地认识月球。在新一轮探月热潮中，月球的神秘面纱有望被逐步揭开。

南方周末特约撰稿 鞠强

责编 朱力远

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