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”？這是科學家一直想了解的月球演化歷史研究中的一個重大科學問題。
一年前，中國科學院地質與地球物理研究所（以下簡稱地質地球所）的科學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，使已知的月球地質壽命“延長”了8億到9億年。
那么，月球是如何“延壽”的？地質地球所的科學家們推翻了此前的兩種假設——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之門：導致月球年輕火山活動的根本原因是什么？
現在，時隔一年，該所研究員陳意團隊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，月幔在二十億年前比三十多億年前含有更多的鈣和鈦，導致月幔熔點降低，且月幔經歷十幾億年的冷卻后，溫度僅僅降低了約80攝氏度，并據此提出新的月球熱演化模型。相關成果10月22日發(fā)表于《科學進展》。
“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，但其質量只有地球的約1%。如此小的天體，理論上應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知，也提出了新的科學問題：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火山噴發(fā)至月球表面冷卻結晶形成的巖石。”陳意向《中國科學報》解釋，對于持續(xù)冷卻的月幔發(fā)生部分熔融，國際學者曾提出兩種假說：放射性元素生熱導致月幔升溫；加水降低月幔熔點。
然而，中國科學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，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。在此基礎上，將其與更古老的阿波羅玄武巖進行對比，即可建立全新的月球巖漿-熱演化模型。
大多數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于上世紀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，經歷了高程度的結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，如何準確恢復其初始巖漿的成分，成為限定巖漿起源深度和溫度的關鍵。
“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)，也就是月球當時的內部狀態(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。研究團隊建立了若干標準，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，分析了巖屑的主要成分，結合一系列巖石學和熱力學模擬計算，成功恢復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行對比，發(fā)現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。這部分物質恰恰是月球巖漿洋晚期結晶的產物，且具有易熔的特性，它的加入會顯著降低月幔的熔點，誘發(fā)月幔部分熔融形成年輕的月球玄武巖。
另一方面，進一步的模擬計算結果顯示，嫦娥五號玄武巖比阿波羅玄武巖的形成溫度更低，即月球內部經歷十幾億年的持續(xù)冷卻，溫度僅僅降低了約80攝氏度。
他們據此提出新的月球熱演化模型：月球巖漿洋晚期結晶的易熔物質，逐漸加入到了月幔，不僅為月幔“補鈣補鈦”，還導致月幔熔點降低，從而克服了緩慢冷卻的月球內部環(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”
月球巖漿洋晚期結晶產物為什么具有更多的鈣和鈦？十幾億年的冷卻，月球內部溫度為何僅僅降低了約80攝氏度？陳意對此進行了深入解讀。
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家發(fā)現，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。
科學家推測，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。
“在巖漿洋冷卻結晶過程中，富橄欖石的一些物質會在結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。
而巖漿洋晚期結晶的主要礦物是單斜輝石和鈦鐵礦，其中一個顯著特點是鈣、鈦含量較高，且熔點比較低。這部分物質密度很高，結晶完之后便會下沉，進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”，使月球內部熱耗散相對較慢。同時，與地球不同，月球沒有板塊構造，不會把地表的冷物質帶到地球內部發(fā)生物質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行對比，該團隊推測，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，這是一項高質量的研究。“這項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，這一直是許多科學家最關心的問題。”論文審稿人、英國牛津大學地球科學系Richard Palin說，研究團隊解釋得到了仔細的巖石學建模和巖石學觀察的有力支持，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
新機遇 新發(fā)展
現在看來，月球的地質生命活動似乎已完全熄滅。那么，未來是否可能發(fā)現比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，到現在還是個謎。”他說，“目前，我們僅有確鑿的證據證明在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，推測出它的地質生命活動軌跡。”
那么，月球最新的巖漿活動證據可能隱藏在哪里呢？據介紹，當前科學家主要通過撞擊坑定年法，推測相關區(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部狀態(tài)。”
陳意認為，月球研究可能有助于解開人們認識地球過去的“瓶頸”問題。
“由于地球板塊構造運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歷了哪些過程？地月系統同根同源，沒有板塊構造的月球地質歷史記錄非常完整、豐富，將有助我們了解地球的過去。通過它的地質演化記錄，也有助于我們了解地球的現在和未來。”他說。
在他看來，嫦娥五號、祝融號等地外行星探測項目正在給中國地球和行星科學研究帶來新的機遇。最近一年多來，隨著月壤樣品返回和首批火星探測數據傳回地球，國內的行星科學研學隊伍正在迅速龐大。
陳意表示，地外行星探索也將為地球科學研究“打開非常大的一扇門”。地質學、地球化學、地球物理、遙感探測，乃至地外生物等地球科學的各個領域將得到進一步發(fā)展。
相關論文信息：
http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abn2103
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