月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩漿經火山噴發至月表冷卻結晶形成的岩石，為認識月幔物質組成和演化提供了重要窗口。其中，火山活動強度（岩漿噴發量）是非常關鍵的科學問題，對約束月球的熱演化歷史，揭示火山物質的來源和類型，以及後續的構造活動和岩石圈變形有重要意義。前人主要利用遙感探測手段對月海玄武岩的厚度、火山活動的體積隨時間的變化等進行了定量化計算。分析方法主要包括（a）撞擊坑挖掘深度法、部分淹沒撞擊坑地形退化等；（b）雷達方式（月表探地雷達和星載）；（c）地球物理方法（重力場與地震波方法）等。由於這些方法原理不同，得到的結果存在諸多不確定性，這包括：部分結果只能約束厚度上下限而非準確值、部分結果依賴於月表物質參數的先驗知識等。
圖1 嫦娥五號月壤中玄武岩顆粒的冷卻時間及其對應的最小熔岩流厚度
嫦娥五號返回的樣品為認識月球晚期的熱演化機制提供了很好的機遇，或許可以為晚期的火山噴發規模研究提供關鍵錨點。針對這一問題，中國科學院地質與地球物理研究所田恆次副研究員、張馳副研究員、楊蔚研究員、陳意研究員、Ross Mitchell研究員、林楊挺研究員、李獻華院士、吳福元院士等人聯合中國科學院國家空間科學中心都駿博士、中大肖志勇教授、南大惠鶴九教授等人對嫦娥五號玄武岩開展了火山噴發規模研究。
此項研究的實施主要是因為（1）研究表明嫦娥五號玄武岩具有相同的年齡，說明是同一期火山噴發的產物（以億年為時間尺度），外來物質比例低；（2）這些不同結構的玄武岩具有相似的同位素組成，說明來自相同月幔源區。研究團隊首先利用擴散年代學技術獲取了玄武岩中21顆橄欖石的冷卻時間（結合溫度可轉化為冷卻速率）（圖1a）；之後，利用一維熱量傳輸模型估算了每個玄武岩顆粒所限定的熔岩流的最小厚度（圖1b）。最後，得到大部分玄武岩顆粒所限定的熔岩流最小厚度為10-30米。嫦娥五號著陸地質單元地勢平坦，據此估算了玄武岩的噴發量，表明在月球晚期（距今約20億年）仍有大規模岩漿噴發（圖2），這一結果與通過遙感探測手段得到的結果較為一致。
在此基礎上，梳理前人對月球早期火山活動的研究結果與本次結果，發現儘管月球火山活動總體隨著時間的推移而逐漸變弱，但其晚期噴發規模仍然呈現間歇性凸起的現象，這一研究結果對約束月球的熱演化歷史提供了關鍵參數。但是，造成月球晚期大規模火山噴發的原因仍需結合月球的熱化學演化模型進一步研究。
圖2 月球玄武岩噴發速率及其隨時間變化趨勢
另外，研究團隊正在積極研發橄欖石原位高精度高空間分辨的Mg-Fe同位素分析技術，這將更有利於解析橄欖石所記錄的年代學和岩漿演化信息，促進地球科學的發展，並服務於未來地外天體返回樣品的科學研究。
研究成果近日發表於國際學術期刊Nature Communications（田恆次*，張馳*，楊蔚，都駿，陳意，肖志勇，Ross Mitchell, 惠鶴九，Hitesh Changela, 張天馨，唐旭，張迪，林楊挺，李獻華，吳福元. Surges in volcanic activity on the Moon about two billion years ago[J]. Nature Communications, 2023, 14: 3734. DOI: 10.1038/s41467-023-39418-0）。研究得到國家自然科學基金、中科院青促會項目、中科院重點部署項目、民用航天技術預先研究項目和所重點部署項目共同資助。
美編：陳菲菲
校對：萬鵬（地質地球所）