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月球比我们已知的多“活”了8亿年,嫦娥五号月球样品最新成果刷新人类认知
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2021-10-19 17:05
摘要:直到20亿年前仍存在岩浆活动

作为月球生命特征之一的岩浆活动,究竟何时“静默”的?科学家通过对来自美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究证实,岩浆活动至少持续到大约28至30亿年前,古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了月海,但对于月球岩浆活动停止的确切时间,科学界一直存在争议。

10月19日,中国科学院发布了嫦娥五号月球科研样品最新研究成果。中科院地质与地球物理研究所和国家天文台主导,联合多家研究机构证明,嫦娥五号月球样品是目前月球最“年轻”的玄武岩,直到20亿年前仍存在岩浆活动,其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素,且月幔源区几乎没有水。

这些突破性研究成果以三篇《自然》论文和一篇《国家科学评论》论文形式发表。

【月球最“年轻”玄武岩的年龄为20亿年】

2020年12月17日,嫦娥五号样品舱成功着陆,带回了1731克月球样品,这是我国首次完成地外天体样品采集,也是人类时隔44年再次带回新的月球样品。


嫦娥五号月壤样品。中国科学院科学传播局科技摄影联盟供图

迄今为止,关于月球在30亿年前到10亿年前之间到底有没有岩浆活动,火山喷发的数据记录是一片空白。月球作为地球的卫星,因为其表面积和体积比很大,散热快,一直以来被普遍认为其岩浆活动在29-28亿年前已经停止。

在此次研究中,科研人员利用超高空间分辨率铀-铅定年技术,对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物(斜锆石、钙钛锆石、静海石)进行分析,确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,证实月球最“年轻”玄武岩的年龄为20亿年。也就是说,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,这比之前对月球样本进行放射性同位素测年显示的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。

中科院院士李献华介绍,撞击坑计数定年法是另一种计算行星表面年龄的方法。相对而言,坑越少越年轻,坑越多越年老。但由于缺少返回样品用于校准,这种方法存在着极大不确定性。之前,科学家根据这一方法,推断嫦娥五号着陆区是月球最年轻的玄武岩单元之一,年龄为10至30亿年。

此次,嫦娥五号玄武岩的精确年代学数据为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点,将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。

【究竟哪一种假说更有可能】

月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜,目前科学界存在两大主流假说:源区中富含放射性元素以提供热源,或富含水以降低熔点。

究竟哪一种假说更有可能呢?

此次最新研究取得了意料之外的结果。基于中科院地质地球所研发的超高空间分辨率同位素分析技术,研究人员发现,嫦娥五号玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”(这几种元素在地球化学上被称为“不相容元素”,意为不容易进入到固体中的元素);嫦娥五号样品富集“克里普物质”的特征,是由于岩浆后期经过大量矿物结晶固化后,残余部分富集而来。这一结果排除了热源来自源区富集放射性生热元素的主流假说,揭示了月球晚期岩浆活动过程。

那么,岩浆源区是否富含水呢?“这里提到的水,并不是我们日常生活中的液态水,而是作为月球矿物里的结构水存在。”李献华说。科研团队利用中科院地质地球所研发的纳米离子探针分析技术,测定了嫦娥五号玄武岩中的水含量和氢同位素组成,获得月幔源区的水含量仅为1-5微克/克,“也就是说月幔非常的‘干’,可能是长期、多期次的岩浆活动造成强烈脱水的结果。”

这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点,导致该区域岩浆活动持续时间异常延长的猜想。

【对认识月球起源和演化具有重要意义】

月球冷却如此之慢的原因还不清楚,需要全新的理论框架和演化模型。该系列成果对月球热演化历史研究提出了新的科学问题,对未来的月球探测和研究提出了新的方向。

这是首批由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球科研样品研究成果,得到国际专家的高度评价。美国新墨西哥大学月球与行星科学研究所的查尔斯·席勒高级研究员、卡内基研究所理查德·加尔森研究员等认为,该系列成果“提供了迄今为止月球上确定的最年轻的玄武岩的证据”“改变了我们对月球的热历史和岩浆历史的认识”“对我们认识月球起源和演化具有重要的意义”。

此次研究采用的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术,处于国际领先水平,为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:图虫创意 图片编辑:雍凯
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