昨天下午，國際學術期刊《自然》同時在線發表了這三篇來自中國科學院地質與地球物理研究所的研究成果。研究證明，嫦娥五號月球樣品為一類新的月海玄武岩，填補了美國和前蘇聯月球採樣任務的「空白」。
根據研究團隊分別針對嫦娥五號月球樣品年齡、源區性質和水含量三個科學問題的研究發現，就在20億年前，月球還「活著」，噴發過滾燙的岩漿，比此前預計的28至30億年推遲了整整8至10億年。然而，與科學家之前的猜測不同，月幔中既沒有放射性生熱元素，又沒有大量水的存在，使科學家又遇到了新課題——究竟是什麼使月球「活」到了至少20億年前？
以小時計速7天完成月壤實驗
2020年12月17日，嫦娥五號樣品艙成功著陸在我國內蒙古四子王旗，帶回了1731克月球樣品。這是我國首次完成地外天體樣品採集，也是時隔44年，人類再次從月球採回樣品。
2021年7月12日，第一批嫦娥五號月球科研樣品正式發放。當中國科學院科學家接到樣品後，立刻投入到緊張的研究中。
就在12日當天下午，他們就投入實驗，僅用20多小時就完成了樣品的初步鑑定和分選。7天內完成樣品的年齡、礦物、元素和同位素分析，16天完成樣品年代學以及月幔地球化學特徵和水含量研究論文，並投稿到《自然》編輯部——三篇論文在線發表，總共只用了100天！
科研人員在場發射掃描電子顯微鏡下進行嫦娥五號月壤樣品圖像和成分分析
「在月壤樣品到來之前，我們已經把所有的技術環節都演練過了。」地質地球所嫦娥五號樣品研究組骨幹、該所研究員楊蔚說，研究組48名科研人員平均年齡僅39歲，幾乎從未接觸過月球研究，但每個人都各盡所能，不眠不休地展開研究。
從樣品中選取需要的岩石碎片（也叫岩屑），是研究人員遇到的第一關。「這些碎片與地球岩石差別較大，我們第一次在顯微鏡挑選時，也不太確定。」楊蔚說，他們把部分碎片放在電鏡下鑑定之後，再去樣品中挑選。
由於「選材」精準，在分到的3克樣品中，他們只損耗了150毫克，剩餘的已經歸還給中科院探月工程地面應用中心，供別的研究團隊繼續研究。
就在這100天裡，中國科學家獲得了嫦娥五號著陸區岩漿年齡、源區性質的新認識。
精確測定，20億年前月球還「活著」
嫦娥五號在月球上的著陸點位於風暴洋西北處呂姆克山附近，遠離「阿波羅」和「月球號」採樣點，那裡有著月球最年輕的月海玄武岩。
行星是有「生命」的，其標誌就是岩漿活動。一旦岩漿活動停止，就意味著行星的「死亡」。來自美國、蘇聯的月球樣本和地球上月球隕石的研究已證實，月球上的岩漿活動至少持續到大約28至30億年前，古老的岩漿噴發活動留下的黑色玄武岩形成了所見的「月海」。
但是，對於月球岩漿活動停止的確切時間，科學界一直存在爭議。尤其是嫦娥五號採集帶回的月海玄武岩，科學家預測其年齡在距今10億年至30億年間。
為何精確確定這些岩石的年齡如此困難？地質地球所嫦娥五號樣品研究組負責人、中科院院士李獻華解釋，過去，科學家以統計撞擊坑數量來大致判定岩石年齡——被小天體撞出的坑越多，岩石就越古老。可真要精確定年，還需要高解析度的礦物分析設備。
「這些岩屑含鐵高、含鎂低，結構各不相同，但都來自於同一次玄武岩噴發事件。」李獻華說，在觀察了100多個岩屑後，他們從中挑選了50多個具有代表性的樣本。
由於樣品岩屑90%以上都只有3至5微米大小，得益於地質地球所耗費十多年發展起來的、測定精度高達3微米的超高空間解析度鈾-鉛定年技術，研究團隊順利確定出，玄武岩形成年齡為20.30±0.04億年，證實月球最「年輕」玄武岩年齡為20億年。
這說明，月球直到20億年前仍存在岩漿活動，比以往月球樣品限定的岩漿活動停止時間延長了約8億年。這一年代的精確測定數據，還為撞擊坑統計定年曲線提供了關鍵錨點，將大幅提高內太陽系星體表面的撞擊坑統計定年精度。
新課題浮現，月球何以維持長時間岩漿活動
那麼，月球這8億年的「壽命」是如何維持延續的？
月球最晚期岩漿活動的成因一直是行星科學的未解之謎。目前，科學家認為存在兩種可能解釋：其一是月球岩漿源區富含生熱元素以提供熱源，其二是該區域富含水以降低熔點。
圍繞這兩種可能性，地質地球所與國家天文台團隊對嫦娥五號月壤樣品中的玄武岩岩屑進行了年代學和岩石地球化學研究。結果卻令他們大為意外。
利用地質地球所研發的超高空間解析度同位素分析技術，研究團隊發現，嫦娥五號玄武岩初始熔融時並沒有捲入富集鉀、稀土元素、磷的「克里普物質」——這幾種元素在地球化學上被稱為「不相容元素」，意為不容易進入到固體中的元素。
嫦娥五號樣品富集克里普物質的特徵，是在岩漿後期形成的，排除其月幔源區富含放射性生熱元素的主流假說，揭示了月球晚期岩漿活動過程。
而且，他們還發現，嫦娥五號玄武岩的岩漿源區並不富含水，其月幔源區每克岩石的水含量僅為1-5微克，可以說月幔非常「干」。科研人員指出，這一發現也排除了月幔初始熔融時因水含量高而具有低熔點，導致該區域長時間岩漿活動的猜想。
「這就需要科學家通過更多研究，去給出月球演化的新解釋。」李獻華說，嫦娥五號樣品研究的第一批成果，恰恰推開了一扇新的科學之門。
「嫦娥」將寫續篇，補全月球演化歷史
通過嫦娥五號帶回樣品的研究，人類終於對月球「死亡」前的歷史，有了更加清晰的認識。然而，月球最初是怎樣形成的，還是一個謎團。在歐陽自遠看來，把這一頭一尾兩段月球演化史補全，中國科學家會做出獨到的貢獻。
他透露，「嫦娥工程」後續任務，將可能飛到月球背面最古老的岩層，將樣本帶回地球。「嫦娥四號在月球背面著陸，僅在月面進行探測，並未帶回樣品，嫦娥六號將可能實現這個願望」。
據悉，中國科學院正在積極推動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成初步共識。
作者：許琦敏
編輯：許琦敏
圖片來源：中科院科技攝影聯盟