嫦娥五號玄武巖與阿波羅玄武巖形成示意圖。受訪者供圖
(資料圖)
月球什么時候還“活著”？這是科學(xué)家一直想了解的月球演化歷史研究中的一個重大科學(xué)問題。
一年前，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）的科學(xué)家們利用嫦娥五號帶回的月球樣品，證明月球在距今20億年前仍噴發(fā)過滾燙的巖漿，使已知的月球地質(zhì)壽命“延長”了8億到9億年。
那么，月球是如何“延壽”的？地質(zhì)地球所的科學(xué)家們推翻了此前的兩種假設(shè)——放射性元素生熱和月幔含水熔融；同時也推開了一扇新的科學(xué)之門：導(dǎo)致月球年輕火山活動的根本原因是什么？
現(xiàn)在，時隔一年，該所研究員陳意團(tuán)隊(duì)給出了這個問題的潛在答案。
他們通過嫦娥五號帶回的月壤巖屑發(fā)現(xiàn)，月幔在二十億年前比三十多億年前含有更多的鈣和鈦，導(dǎo)致月幔熔點(diǎn)降低，且月幔經(jīng)歷十幾億年的冷卻后，溫度僅僅降低了約80攝氏度，并據(jù)此提出新的月球熱演化模型。相關(guān)成果10月22日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。
“由子及母”，揭開月球保持活力的神秘面紗
與地球類似，月球形成于約45億年前，但其質(zhì)量只有地球的約1%。如此小的天體，理論上應(yīng)該快速冷卻而早早地停止火山活動，成為死亡星球。
但去年十月，嫦娥五號月壤樣品的首批研究，刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認(rèn)知，也提出了新的科學(xué)問題：月球如何活到20億年前？
“就像地球的地幔一樣，月球玄武巖是月幔部分熔融形成的巖漿經(jīng)火山噴發(fā)至月球表面冷卻結(jié)晶形成的巖石。”陳意向《中國科學(xué)報(bào)》解釋，對于持續(xù)冷卻的月幔發(fā)生部分熔融，國際學(xué)者曾提出兩種假說：放射性元素生熱導(dǎo)致月幔升溫；加水降低月幔熔點(diǎn)。
然而，中國科學(xué)家對嫦娥五號玄武巖的研究揭示月幔源區(qū)并不富含放射性生熱元素，且非常“干”，排除了以上兩種假說。
月球火山活動為什么持續(xù)如此之久？這成為新一輪月球研究中的未解之謎。
陳意表示，要想破解這一謎團(tuán)，前提是確立嫦娥五號玄武巖起源的深度和形成的溫度，即月幔發(fā)生部分熔融時的溫度和壓力條件。在此基礎(chǔ)上，將其與更古老的阿波羅玄武巖進(jìn)行對比，即可建立全新的月球巖漿-熱演化模型。
大多數(shù)阿波羅玄武巖形成于距今38億~31億年前，由美國的阿波羅號六次載人登月任務(wù)于上世紀(jì)六七十年代采集返回地球。
我國嫦娥五號玄武巖從月幔源區(qū)噴發(fā)至月表過程中，經(jīng)歷了高程度的結(jié)晶分離等一系列演化過程，玄武巖成分發(fā)生了顯著的改變，如何準(zhǔn)確恢復(fù)其初始巖漿的成分，成為限定巖漿起源深度和溫度的關(guān)鍵。
“打個比方，嫦娥五號玄武巖就像月球的一個小兒子，阿波羅玄武巖是月球的大兒子，他們是月球這個母親在不同年齡階段生的孩子，兩個兒子的元素含量存在差異。”陳意比喻說，“通過這種差異，可以反向推演母親生他們時的身體狀態(tài)，也就是月球當(dāng)時的內(nèi)部狀態(tài)。”
嫦娥五號土壤樣品平均粒度僅有50微米。粒度越小，這意味著其中所含礦物量等信息就越少。研究團(tuán)隊(duì)建立了若干標(biāo)準(zhǔn)，試圖在其中找到顆粒更大、礦物種類更全、礦物分布更均勻的巖屑作為初始成分，反向推演彼時月球內(nèi)部發(fā)生的情況。
最終，他們從600多顆巖屑中選取了27顆具有代表性的巖屑，采用最新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術(shù)，分析了巖屑的主要成分，結(jié)合一系列巖石學(xué)和熱力學(xué)模擬計(jì)算，成功恢復(fù)了嫦娥五號玄武巖的初始巖漿成分，并與阿波羅低鈦玄武巖的初始巖漿進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)月球保持活力的兩個潛在“秘訣”。
一方面，嫦娥五玄武巖的初始巖漿比阿波羅玄武巖初始巖漿含有更高的鈣和鈦組分，即月幔在二十億年前比三十多億年前含有更多的鈣和鈦。這部分物質(zhì)恰恰是月球巖漿洋晚期結(jié)晶的產(chǎn)物，且具有易熔的特性，它的加入會顯著降低月幔的熔點(diǎn)，誘發(fā)月幔部分熔融形成年輕的月球玄武巖。
另一方面，進(jìn)一步的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，嫦娥五號玄武巖比阿波羅玄武巖的形成溫度更低，即月球內(nèi)部經(jīng)歷十幾億年的持續(xù)冷卻，溫度僅僅降低了約80攝氏度。
他們據(jù)此提出新的月球熱演化模型：月球巖漿洋晚期結(jié)晶的易熔物質(zhì)，逐漸加入到了月幔，不僅為月幔“補(bǔ)鈣補(bǔ)鈦”，還導(dǎo)致月幔熔點(diǎn)降低，從而克服了緩慢冷卻的月球內(nèi)部環(huán)境，引發(fā)了長期持續(xù)的月球火山作用。
月球這樣保持“年輕”與“熱度”
月球巖漿洋晚期結(jié)晶產(chǎn)物為什么具有更多的鈣和鈦？十幾億年的冷卻，月球內(nèi)部溫度為何僅僅降低了約80攝氏度？陳意對此進(jìn)行了深入解讀。
如今，在地球上看，月球上白色的地方是月陸，深色的地方也是月海?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，月陸表面主要為斜長巖；而月海表面主要為玄武巖。這與月球的演化歷史有關(guān)。
科學(xué)家推測，像地球一樣，早期的月球也是一個巖漿洋，逐漸降溫、冷卻、結(jié)晶，首先形成月核，此后逐漸形成不同層次的月幔。
“在巖漿洋冷卻結(jié)晶過程中，富橄欖石的一些物質(zhì)會在結(jié)晶早期沉淀到更深部的月幔中，而密度更輕的斜長石會向上浮動，飄在巖漿洋上面，形成月殼，也就是人們看到月亮上比較亮的區(qū)域。”陳意解釋說。
而巖漿洋晚期結(jié)晶的主要礦物是單斜輝石和鈦鐵礦，其中一個顯著特點(diǎn)是鈣、鈦含量較高，且熔點(diǎn)比較低。這部分物質(zhì)密度很高，結(jié)晶完之后便會下沉，進(jìn)入到深部月幔和月核的邊界。
體積更小的月球火山活動持續(xù)時如此之長，國際科學(xué)界有一個猜想：月表覆蓋的平均厚度4~5米的月壤，就像給月球覆蓋了一層“厚厚的毯子”，使月球內(nèi)部熱耗散相對較慢。同時，與地球不同，月球沒有板塊構(gòu)造，不會把地表的冷物質(zhì)帶到地球內(nèi)部發(fā)生物質(zhì)和能量的交換而給月球“降溫”，這也可能是其散熱較慢的一個原因。
然而，月球內(nèi)部熱耗散究竟有多慢？長久以來，由于缺乏量化對比，人們很難知道這一問題的答案。
通過將嫦娥五號玄武巖與阿波羅玄武巖進(jìn)行對比，該團(tuán)隊(duì)推測，從30多億年前到大約20億年前，在月幔相同深度，溫度僅下降了80攝氏度，為這一緩慢降溫過程提供了潛在的答案。
期刊論文審稿人指出，這是一項(xiàng)高質(zhì)量的研究。“這項(xiàng)研究對年輕的嫦娥五號玄武巖可能是如何形成的提供了一種新穎的解釋。毫無疑問，自去年月球新年齡被宣布以來，這一直是許多科學(xué)家最關(guān)心的問題。”論文審稿人、英國牛津大學(xué)地球科學(xué)系Richard Palin說，研究團(tuán)隊(duì)解釋得到了仔細(xì)的巖石學(xué)建模和巖石學(xué)觀察的有力支持，毫無疑問將會引起讀者的極大興趣。
論文主要作者合影，從左至右分別為蘇斌、陳意、原江燕。背景儀器為分析嫦娥五月壤的掃描電鏡，背景屏幕圖片為嫦娥五月壤。 受訪者供圖
新機(jī)遇 新發(fā)展
現(xiàn)在看來，月球的地質(zhì)生命活動似乎已完全熄滅。那么，未來是否可能發(fā)現(xiàn)比20億年更年輕的月球火山活動痕跡呢？
在陳意看來，這“完全有可能”，科學(xué)研究就是不斷推陳出新的過程。
“月球究竟是什么時候真正死亡的，到現(xiàn)在還是個謎。”他說，“目前，我們僅有確鑿的證據(jù)證明在20億年前還有火山活動，那時候它還是活的。如果將來有更多的樣品，就可以建立一個更加完整的、高精度的月球冷卻量化曲線，推測出它的地質(zhì)生命活動軌跡。”
那么，月球最新的巖漿活動證據(jù)可能隱藏在哪里呢？據(jù)介紹，當(dāng)前科學(xué)家主要通過撞擊坑定年法，推測相關(guān)區(qū)域的大致形成年齡。“若干年后，我們或許可以采到更年輕的月球樣品，了解月球生命最晚期的內(nèi)部狀態(tài)。”
陳意認(rèn)為，月球研究可能有助于解開人們認(rèn)識地球過去的“瓶頸”問題。
“由于地球板塊構(gòu)造運(yùn)動抹掉了很多古老的地球歷史記錄，人們尚不清楚地球從45億年前開始形成到35億年以前地球早期到底經(jīng)歷了哪些過程？地月系統(tǒng)同根同源，沒有板塊構(gòu)造的月球地質(zhì)歷史記錄非常完整、豐富，將有助我們了解地球的過去。通過它的地質(zhì)演化記錄，也有助于我們了解地球的現(xiàn)在和未來。”他說。
在他看來，嫦娥五號、祝融號等地外行星探測項(xiàng)目正在給中國地球和行星科學(xué)研究帶來新的機(jī)遇。最近一年多來，隨著月壤樣品返回和首批火星探測數(shù)據(jù)傳回地球，國內(nèi)的行星科學(xué)研學(xué)隊(duì)伍正在迅速龐大。
陳意表示，地外行星探索也將為地球科學(xué)研究“打開非常大的一扇門”。地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球物理、遙感探測，乃至地外生物等地球科學(xué)的各個領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M(jìn)一步發(fā)展。
相關(guān)論文信息：
http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abn2103
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