嫦娥五号样品揭示月球二十亿年前仍存在岩浆活动|地球|嫦娥五号样品|岩浆活动|撞击坑|月球样品|玄武岩

嫦娥五号样品揭示月球二十亿年前

仍存在岩浆活动

本工作对嫦娥五号样品中的4种结构共计47块玄武岩岩屑分别进行了离子探针原位Pb-Pb等时线定年，论证了他们来自同期次岩浆活动，获得综合等时线年龄为2030±4Ma，并根据初始Pb组成计算出岩浆源区的μ值（²³⁸U/²⁰⁴Pb）为684±40。嫦娥五号玄武岩为目前发现的最年轻月球岩浆活动产物，将月球岩浆活动结束的时限较之前的认知延长了8亿年以上。较低的源区μ值指示嫦娥五号玄武岩来自亏损克里普组分的岩浆组分。嫦娥五号玄武岩的高精度同位素年龄为撞击坑统计定年曲线的标定提供了关键锚点，将大幅提高该方法的定年精度。

作为地球的唯一卫星，月球已经紧密伴随我们生活的地球45亿年之久。肉眼可见的月球表面可分为较为明亮的高地和较暗的月海，月陆主要为年老的浅色斜长岩，而只占月表面积17%的月海区域是较其他地质单元持续更长时间的玄武质岩浆岩(Shearer et al.,2006)。对阿波罗计划采集回的月球样品进行了年龄测定，发现其都形成于30亿年前，即使加上收集到的几百块月球陨石，也最多推迟到28亿年前(Borg et al.，2004)。按照这些信息，传统观点认为月球在28亿年前就失去了一个星球继续演化的内动力。然而，撞击坑统计定年法显示还可能存在30亿～10亿年期间更年轻的岩浆活动，不足之处是这种方法误差非常大，需要返回样品的同位素年龄进行校准。北京时间2020年12月17日1时59分，嫦娥五号返回器携带1731g月球样品安全着陆。本次任务的主要科学目标就是采集可能的年轻玄武岩来进一步揭示月球演化的奥秘。

精确测定嫦娥五号玄武岩年龄

对玄武岩颗粒进行分析统计，可识别出样品中的4种结构类型，即(次)辉绿结构、嵌晶结构、等粒结构和斑状结构。阿波罗计划返回样品中通常发现多期次岩浆活动，考虑到嫦娥五号样品同样可能存在不同期次的岩浆活动，研究团队进一步对不同类型的玄武岩分别进行了定年研究。研究团队在47块不同结构的玄武岩碎屑中快速定位出3～8μm直径的含锆矿物，即斜锆石、静海石和钙钛锆石。之后，通过基于离子探针实验室自主研发的超高空间分辨率U-Pb定年技术，以3μm的束斑对51颗含锆矿物进行了精准测试。最终，科研人员认识到不同结构类型的玄武岩其实来源于同一期次的岩浆活动，综合起来得到了一个精确的年龄：20.30±0.04亿年。这一发现将月球最年轻的玄武岩样品年龄更新到20亿年前，月球的“地质寿命”延长了8亿～9亿年。

嫦娥五号玄武岩离子探针分析测点

右下为岩屑整体的背散射图像

嫦娥五号玄武岩 Pb-Pb 年龄等时线图

图中五边形点标示初始 Pb 组成，获得月球两阶段 Pb 演化模式计算出的源区μ值为 684 ± 40

识别嫦娥五号玄武岩源区特征

嫦娥五号带回来的玄武岩如此年轻，不仅刷新了我们此前对月球岩浆活动的认知，同时也对月球热演化历史发出了追问：月球的直径不到地球的1/3，对于具有如此大表面积/体积比的星球来说，为什么月球的火山活动却可以持续到20亿年前？要让固态的岩石发生熔融，自然会想到需要增加额外的热。因此，传统观点认为，月球之所以能够持久存在火山活动，得益于岩浆的源区富集克里普组分来提供放射性热。然而，由于此前所收集到的样品都远远“老”于嫦娥五号玄武岩，这个假说还没有被年轻玄武岩样品所证实。从嫦娥五号玄武岩本身来说，初步的分析显示，它的确比较富含Th，但岩浆分离结晶过程也会导致残余岩浆Th含量的升高，因此，初步分析结论并不意味着源区就富集Th。

要识别岩浆起源时是否富含克里普物质，还需要采集其源区的同位素信息加以验证，其原理是如果因为长时间放射性衰变带来的热，那么源区熔融时候就应该累积了较多的放射性子体元素，必然应存在较高的m值（²³⁸U/²⁰⁴Pb）。本工作通过106颗主要矿物(长石和辉石)的U-Pb测试，发现5个颗粒具有低于0.01的U/Pb值，限定了初始Pb的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb为0.860±0.019。根据47个岩屑中159个矿物测点拟合的等时线方程和初始²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb计算了初始²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb为0.00228±0.00011。根据初始Pb组成计算出玄武岩源区的μ值为684±40。嫦娥五号玄武岩源区的μ值与古老的阿波罗玄武岩源区μ值(300～1000)在范围内一致，而与克里普组分(2600～4000)具有显著区别(Snape et al.，2016)，说明嫦娥五号的月幔源区与克里普岩的特征具有明显差异，这一发现说明维持月球长期火山活动的并非月幔中富含的克里普组分。

优化撞击坑统计定年曲线

之前不同研究者对嫦娥五号着陆区进行过大量撞击坑统计定年工作，得到的年龄主要在12亿年和27亿年之间(Qian et al.，2021)。相同方法得到的年龄范围如此之广，最主要的原因是根据已有样品建立的撞击坑统计定年曲线上的限定点并不多，尤其是10亿年到30亿年之间完全是空白(Hiesinger et al.，2010)。本次嫦娥五号样品的精确年龄为这条定年曲线在空白中心的20亿年处提供了一个关键锚点，可以极大地提高撞击坑统计定年方法的精确度，这不仅对月球其他区域的定年工作十分重要，对于内太阳系其他星体表面的定年工作也同样适用。

致谢

样品分析工作和论文成文讨论过程中得到杨蔚、陈意、惠鹤九、田恒次等科研人员的帮助。本工作得到中国科学院重点部署项目(ZDBS-SSW-JSC007-13)、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-202101)、国家自然科学基金项目(41773044)和国家国防科技工业局民用航天技术预先研究项目(D020203)资助。