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嫦娥五号样品让月球多“活”10亿年

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2020年12月,嫦娥五号探测器返回舱携带 1731 克月壤成功返回地球,自那时起,人们就盼望着早日看到我们自己的月壤产出的科学成果。北京时间10月8日凌晨,国际学术期刊《科学》(Science)在线发表了一篇题为《嫦娥五号年轻玄武岩的年代与成分》(Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5)的文章,中国地质调查局中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心车晓超博士为本文的第一作者。这是以嫦娥五号月球样品为研究对象发表的首篇学术成果。

那么论文主要讲了什么呢?简单概括为一句话:研究团队对样品开展了年代学、元素、同位素分析,证明月球在19.6亿年前仍存在岩浆活动,为完善月球演化历史提供了关键科学证据。

嫦娥五号月球样品 CE5C0000YJYX03501GP (来源:国家航天局探月与航天工程中心)

这篇论文源自中国地质调查局中国地质科学院地质研究所北京离子探针中心刘敦一研究员和地质所海外高级访问学者澳大利亚科廷大学亚历山大・涅姆钦(Alexander Nemchin)教授领衔的国际研究团队对嫦娥五号月球样品的研究。他们二位作为本文的共同通讯作者,而车晓超博士则是本文的第一作者。他们申请得到的样品编号为CE5C0000YJYX03501GP,这是嫦娥五号探测器的“铲取样”,即通过机械臂上小铲子取得的月球地表样品。从形态分类上看,它属于岩屑,使用光片形式封装。该样品中含有2个玄武岩颗粒和1个角砾岩颗粒,玄武岩的粒度粗细有差异。

以往环月卫星获取的数据显示,月球上最年轻的地质特征应该是位于风暴洋(Oceanus Procellarum)的玄武岩熔岩,这些地方具有较高水平的钾、钍和铀等元素。这些元素会通过长期的放射性衰变产生热量,并使月球正面维持较长时期的岩浆活动。“嫦娥五号”探测器软着陆点位于月球正面北纬43.06度,西经51.92度,吕姆克山(Mons Rümker)东北约170公里的区域。之所以选择这个位置,正是因为研究人员推测这里是月球上最年轻的玄武岩熔岩所在地之一。

看外观

研究人员分析了嫦娥五号样品中的两个岩屑(被研究团队标记为CE5-B1和CE5-B2),大小相近,约3-4毫米,都由月球玄武岩中常见的矿物组成,如斜长石、橄榄石和钛铁矿,以及少量的石英和方石英等。两者均含有多个富钾玻璃、钡钾长石、三钙石、磷酸钙(磷灰石和尖晶石)以及富锆矿物斜锆石(二氧化锆矿)和褐锆石的充填体。两块岩屑都有火成岩结构。CE5-B2晶粒比CE5-B1晶粒略粗一些,且CE5-B2中的大多数矿物相断裂严重。

想要研究月球的年龄和演化历史,必须要确定月球岩屑中的矿物和元素种类及其分布。因为月球岩屑非常小,多数只有几十微米,高分辨率扫描电子显微镜是必不可少的利器。电子显微镜里面有电子束轰击到样品表面上,产生出一些特殊信号,由此可以分辨出细微的形貌。

扫描电镜下的嫦娥五号月壤样品(来源:Xiaochao Che et al. )

扫描电镜下的嫦娥五号月壤样品(来源:Xiaochao Che et al. )

看元素

如果要更直观地区别出元素的分布,则需要动用能谱仪。它能将月球岩屑“染成”彩色,不同颜色就代表不同的元素。如图,蓝色代表硅(Si)、绿色代表镁(Mg)、红色代表铁(Fe)、白色代表铝(Al)、黄色代表钙(Ca)、粉色代表钛(Ti)、青色代表钾(K)。图中,黑白的图像就是样品在扫描电子显微镜下的成像(背散射电子像),彩色图像就是人为标记元素后的图像(伪彩色能量色散光谱像);A、C是岩屑CE5-B1的,B、D是岩屑CE5-B2的。

CE5-B1和CE5-B2的背散射电子像与伪彩色光谱像(来源:Xiaochao Che et al. )

研究表明,两个碎片在辉石和橄榄石的Mg/Fe比值以及玄武岩的高富铁成分上差异很大;矿物化学略有不同,而且似乎与它们的纹理相对应。例如,CE5-B2中的橄榄石富铁、镁,而CE5-B1中TiO2、Al2O3和Cr2O3等分布范围较广。虽然个体上存在一些差异,但它们的矿物学与其他已知的月球玄武岩相似,与卫星遥感观测结果基本一致,它们应当都是这一区域月壤成分的典型代表。不过,考虑到两块碎片实在太小,不能轻易认为它们代表着两种不同的熔体

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测年龄

仅仅知道元素及其分布尚不足以得知地质年龄。都听说过碳-14测年吗?是的,原理是类似的,就是要对特定元素进行同位素分析。这里,他们使用的设备比较“高端”,叫做离子探针。主要针对磷灰石等矿物中存在放射性衰变的铀元素来研究,具体来说是U-Th-Pb测年法(U-铀、Th-钍、Pb-铅)。

U有三种天然放射性同位素238U、235U、234U。其中238U和235U经放射性衰变分别形成稳定同位素206Pb和207Pb,而234U为238U衰变的中间产物,其半衰期为24.6万年。

Th有两个同位素232Th和230Th。其中232Th经放射性衰变形成稳定同位素208Pb。而230Th丰度极低,也是238U衰变的中间产物,半衰期为7.52万年。

Pb有四种天然同位素204Pb、204Pb、207Pb、208Pb,其中206Pb、207Pb、208Pb都是稳定同位素,分别由238U、235U、232Th放射性衰变而来。204Pb则是丰度很低的放射性同位素,但不存在对应的放射性同位素母体。

也就是说,我们可以通过测定矿物中207Pb/206Pb、204Pb/206Pb等原子比率,对照238U、235U、232Th放射性同位素丰度,推测出经历的多长的衰变时间。

测年龄

通过对嫦娥五号月球样品所进行的一系列年代学、元素、同位素分析,研究团队得出样品中的两个岩屑 CE5-B1 和 CE5-B2 年龄分别为~19.63亿年和~20.11亿年,由此证明了月球在距今约20亿年前仍存在岩浆活动

现在我们看到的月球是一个死寂的星球。它究竟经历过什么演化历程?又是什么时候停止活动的呢?此前,美国阿波罗计划带回的月球样品均采自月球正面中低纬度地区,样品年龄基本在30亿到45亿年间,火山岩年龄都在30亿年以上,科学家只能据此判断月球的地质活动在30亿年前戛然而止。而中国的月壤让月球多“活”了10亿年。

参考资料:

[1] Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5 (with Supplementary Materials)

(DOI: 10.1126/science.abl7957)

[2] 嫦娥五号月球样品首篇研究成果发表在《Science》

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