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嫦娥五号带回的石头“说”:月球散热,没我们想象得那么快

从月壤齑粉中,科学家们已然窥见月球演化的些许玄机 | 图源:pixabay.com
 
导 读
 
2020年底,中国的月球探测器 “嫦娥五号” 登陆月球上一块相对年轻的地区,并挖取和钻取了1.731公斤的月球样品。
 
今年7月,第一批科学家们通过申请获得部分样品。3个月后,从这些月壤齑粉中,科学家们已然窥见月球演化的些许玄机。
 
撰文|王一苇
 
责编|陈晓雪
 
从小麦面粉颗粒大小的月球玄武岩碎片中,中国的研究者发现,月球上已知最年轻的火山在20.30 ± 0.04亿年前才陷入沉寂,比此前报告的月球其他区域火山在30亿年前已经“死掉”的结果晚了10亿年,也比最年轻的月球陨石(月球遭小行星撞击飞溅落到地球上的岩石,年龄为28-29亿年)晚了8~9亿年。这意味着,至少在20亿年前,月球内部还在进行着演化。
 
北京时间10月19日下午5点,《自然》(Nature)杂志在线加速发表了中国科学院地质与地球物理研究所等机构的上述发现 [1]。
 
与这一测年论文同时发表的,还有另外两篇论文:一篇测定了月球玄武岩样品的地球化学成分,发现玄武岩的月幔源区(即月幔中岩浆曾经活跃的区域)中克里普组分(KREEP,月球上一种黄褐色玻璃状矿物,富集钾K、磷P和稀土元素REE)较少,得出月幔中不富含放射性生热元素的结论;另一篇则测定了玄武岩样品中熔体包裹体和磷灰石的水含量,得出月幔含水量较少的结论。[2,3]
 
中国科学院地质与地球物理研究所的李献华院士说,月球质量小(只有地球的1.2%),人们通常认为月球的热保持能力比较差,散热很快,但他们的研究结果提出了新的可能性:月球的散热不一定那么快。李献华是此项月球样品研究的主要负责人、测年论文的共同通讯作者。
 
这三篇论文的样品,均来自于名为 “风暴洋”(Oceanus Procellarum)的月球北部月海中吕姆克(Mons Rümker)山北部,由中国 “嫦娥五号” 月球探测器在2020年12月17日带回地球。这些发现,也是中国国家航天局探月与航天工程中心(下称探月中心)自2021年7月12日发放第一批月球样品后,又一批发表的研究成果。
 
美国东部时间10月7日,中国地质科学院地质研究所在《科学》(Science)杂志上发表论文,得出月球玄武岩的凝固时间大约为19.63±0.57亿年 [4]。
 
此次新发布的定年结果与上述年龄在误差范围内基本一致,且通过测量更多样品提高了该结果的准确性。
 
“两个研究团队的结果激动人心且令人印象深刻,” 加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)地球与行星科学系教授尹庆柱说,“这是中国科学家取得的重要成果。从获得样品开始不到4个月的时间收集数据、解析结果、撰写论文并在主流科学期刊上发表,代表了研究团队们巨大的成就和艰巨的努力!非常令人印象深刻!”
 
1 月球变冷速度比想象中慢 可能的原因是什么?
 
李献华告诉《知识分子》,此前的撞击坑计数统计研究认为,吕姆克山北部的岩浆可能在较晚的年代仍在活动,是因为这个区域表面的放射性生热元素含量高,所以推测该区域有足够能量来维持火山活动。
图1 嫦娥五号及此前登陆探测器采样点的分布情况,左图为估算月球表面地形年龄,右图为钍(放射性生热元素物质)热力图,可以看到嫦娥五号所在地点较为年轻,且放射性生热元素较高 | 图源:Lin and Yang, 2021, The Innovation
 
他们最近发表的研究首先确定,岩石形成较晚的估计是对的。“虽然过去估计的不那么精准,但(这一位置的)岩石确实很年轻,这是个值得高兴的事”。
 
其他两项发现,则为解释这一现象提出了新的问题。
 
之前的估计认为,岩浆形成时间晚,一个影响因素是放射性生热元素含量比较多,比如钾、铀和钍。中国科学院地质与地球物理研究所研究员杨蔚和同事的研究显示,风暴洋北部月幔的放射性生热元素并不富集,与阿波罗玄武岩的月幔源区相当 [2]。“说明放射性元素并非导致这里岩浆活动的主要原因。” 李献华解释说。
 
另外,水含量也能影响月幔源区岩石的熔融温度。以前的假设是,水含量高,会导致岩石由固态熔融为液态的温度降低,也就是说,在月球变冷的过程中,岩浆凝结需要更长时间。胡森等人的水含量研究发现 [3],“岩石母体的水含量并不高,大概只有1-5μg.g-1(每克样品中含1至5微克),跟阿波罗样品比较明显是偏低的。” 李献华说。这也就排除了高水含量导致岩浆活动年代晚的猜想。
 
尹庆柱说,这几项工作提出了一些 “关于月球热演化的有趣问题”。“在这样的条件下,月球这样一个小天体如何保持晚期的岩浆活动?” 他说,“我期望看到一系列建模工作,以使行星科学界理解这些数据提供的信息。”
 
李献华介绍,影响月球散热的因素还有一个,那就是压力,需要做进一步的研究。
 
“也许我们对月球的热演化估计有问题,需要重新思考,” 李献华说,“最近的(其他)研究发现,月球表面有十几米厚的月壤层,保温性特别好,像鸭绒被一样。所以月球虽然小,但散热不一定很快。”
 
2 从 “远观” 到 “近赏” 的月球研究
 
尹庆柱说,这批同位素法测年结果,补上了月球研究中“撞击坑计数法”在10亿年到30亿年这个时间段的计算缺陷。
 
在无法取得月壤时,科学家们只能通过 “数坑” 的方式计算月球表面地体的年龄,推算它的演化:由于月球上大气稀薄,陨石撞击是常事,而撞击坑往往保留比较完整。撞击坑多且层层叠叠的地方,形成年代比较久远;撞击坑少的地方则比较年轻。这种方式称为 “撞击坑计数法”,也可以用于太阳系的其他行星,如金星和火星。
 
经过长时间发展,“撞击坑计数法” 已经成为推算月球演化的重要工具。对30亿年以上的地体,它的推测比较准确,但对30亿年以下的 “年轻” 地体,不同科学家的推测往往差异巨大,通常误差在5到10亿年之间。
图2 “撞击坑计数法”研究领域有一条著名的定年曲线,但这条曲线在10-30亿年的位置非常平坦,估计误差很大。此次的测年结果“锚定”了年代数据,对于“撞击坑计数法”的精度提高至关重要 | 图源:Li et al., 2021, Nature
 
李献华说,这一工作,对于校准 “撞击坑计数法”,以应用于更多天体的研究也有重要意义。
 
3 “挑面粉”
 
月球样品珍贵,实验是个精细活。
 
为了避免地球物质对样品的污染,地质与地球物理研究所专门为月球样品研究建造了一间月球洁净实验室,每立方米直径大于0.5微米的颗粒物控制在几千以内。此外,用于放置样品和实验的手套箱充满了氮气,氧气分压和水分压都很低,避免了污染。
 
由于月球几乎是真空环境,表层月壤因为多次撞击而细碎,一毫米以上的碎片都很少。一个典型的月球科研样品编号是一串字母和数字的集合,其中开头的 “CE5” 代表嫦娥五号,中间的“YJ”代表研究,“GP” “YX” 和 “FM” 分别代表三种类型的样品:直径最大的光片、较小的岩屑和最细碎、直径仅几百微米的粉末。
图3 李献华申请到的“嫦娥五号”月球样品 | 图源:[1]
 
李献华团队申请到的5个科研样品主要是岩屑和粉末样。第一个挑战,就是从一堆几十微米的岩屑中挑出稍大的几百微米的岩屑片。普通面粉的颗粒直径是75微米,而据李献华介绍,月壤颗粒的平均粒度也就只有几十微米。
 
“想想看,要是在一堆‘白面粉’里有几颗‘黑面粉’,难度非常大。” 李献华说。
 
实验室中间有一个正压的手套箱,压强大于外部,里面充满了氮气,穿着洁净服的研究人员眼睛盯着放大几十倍的双目镜,将手伸入手套洞,手上捏着一根非常细的不锈钢针,慢慢地挑拣。
图4 论文的作者之一李金华在手套箱旁操作,旁边是技术人员郭倩和马红霞 | 图源:任辉
 
挑拣出来的玄武岩岩屑,用环氧树脂制成样品靶,抛光后,先用扫描电镜在岩屑进行图像分析、识别各种矿物,特别是寻找富铀的含锆矿物(如斜锆石);然后,将样品靶镀一层约20纳米厚的金,放入离子探针,用一次氧离子束 “打”到矿物上,“轻轻扫掉”表面上的金,然后测量矿物的铅同位素组成并计算年龄。
 
之所以要寻找含锆矿物,是因为这种矿物形成时富集铀、但基本不含铅,因此离子探针测得的铅基本上是放射成因的,可以获得可靠的同位素测年结果。
 
在几百微米大小的碎片里,含锆矿物通常只有几微米的宽度,这时离子探针的分析束斑要非常小,才能准确覆盖矿物,束斑过大会分析到覆盖于矿物颗粒间缝隙中可能遗留的微量金(含有极微量的铅),就有可能计入不属于样品的放射成因铅,影响测年结果。
 
李献华团队使用的离子探针分析束斑直径小于3微米,是目前最高空间分辨率的高精度离子探针定年技术。
图5 论文中展示的一份玄武岩样品,左图可以看到含锆矿物处于b点位置;右图是放大的b点,白色位置为含锆矿物,测点指向的阴影为离子探针打过之后留下的痕迹 | 图源:李献华
 
研究人员共测定了47个样品的年龄,得出结论:在 “风暴洋” 这片年轻的月海里,玄武岩结晶固结于约20.3亿年前,这一结果的误差值仅有上下四百万年。
 
而10月发表的《科学》论文中,仅通过含锆矿物定年测出的结果是20.11 ± 0.50亿年,与以上结果更为接近。
 
4 小插曲:国际合作是与非
 
在 “嫦娥五号” 带回月壤之前,中国研究者仅有的关于月壤的研究实践,来自于1978年中国接受美国捐赠1克月壤中的一半。因此,有实际月壤研究经验的人并不多。
 
李献华介绍,目前国内月壤的研究者们,有一些是从事地质学研究的学者,一些是行星科学家,还有一些则来自地球物理、地球化学等领域,大部分也是在 “边做边学”。李献华是一名研究同位素的地球化学家,他的团队此前针对地外样品开发了多种高精度的分析技术。
 
月壤研究申请的评审会于6月在北京举行,每个申请人只有大约13分钟的时间阐述研究计划和回答专家提问。在第一批提交申请的37个队伍中,最后来自13个机构的17个申请人获得了样品,其中包括李献华团队。
 
今年10月7日发表的《科学》文章,是最早发布的 “嫦娥五号” 月球样品研究。由于论文署名中出现了不少外国专家,有一位还是通讯作者,引起了一些关注。中国科学院地质与地球物理研究所副教授 Ross N Mitchell 认为,通讯作者一般是给项目的领头科学家的荣誉,而中国地质科学院地质研究所此举 “too kind”(过于慷慨)[5]。
 
“所有的科学家都应该知道,科学论文署名的基本原则是什么,是按照贡献的。”李献华说。
 
《知识分子》联系了《科学》文章的通讯作者、澳大利亚科廷大学教授 Alexander Nemchin。他说,他和项目申请人、中国地质科学院地质研究所研究员刘敦一已认识31年,关于月壤研究的合作早在 “嫦娥五号” 之前就已经开启。四年前,两人讨论认为可以合作研究月球样品,由他向NASA申请获得阿波罗号带回来的样品。
 
而在此次 “嫦娥五号” 样品的合作研究中,为了论文尽快发表,Nemchin提出由自己起草英文论文稿,最初他将自己的名字放在末位,刘敦一后将他列为通讯作者。
 
“我觉得提出质疑的人并没有参与过真正的(国际)合作,” 他说,“对我来说,合作是一种与欣赏的人共同开展感兴趣的研究的能力。”
 
论文另一位通讯作者刘敦一告诉《知识分子》,Nemchin是地质研究所的访问学者。研究的主要工作在地质所完成,而讨论和分析则由中外的团队成员们在线上开展。Nemchin作为论文起草人,列位通讯作者是为了方便和编辑部沟通。
 
刘敦一说,国际合作是科学发展的必然途径,“取长补短”并不丢人。合作也是相互的。十年前,他曾与美国华盛顿大学的学者共同研究阿波罗12号带回的月球样品,发布的论文中他是第一作者。
 
由中国国家航天局制定的《月球样品管理办法》规定,国家航天局鼓励开展基于月球样品的空间科学国际联合研究工作,促进成果的国际共享 [6]。据《知识分子》了解,目前公布的月球科研样品尚未向外国申请人开放,但并未限制中国申请人的团队中引入外籍专家。
 
7月,第一批样品发放时,负责月球样品管理的探月中心副主任裴照宇在《人民日报》的采访中说,当时 “还没有收到国外科研机构提交的正式申请”,但 “国家航天局鼓励开展月球样品的国际联合研究,国外科学家可以通过加入国内科研团队等方式共同开展样品研究工作。国家航天局正在会同有关部门制定月球样品国际合作相关规则,报中央批准后实施。” [7]
 
小提示
 
月球样品信息向公众开放
 
读者们可以访问探月中心网站获取具体信息:
 
https://moon.bao.ac.cn/moonSampleMode/
 
 
参考文献:
 
[1]Li, QL., Zhou, Q., Liu, Y. et al. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2
 
[2]Tian, HC., Wang, H., Chen, Y. et al. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5
 
[3]Hu, S., He, H., Ji, J. et al. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9
 
[4]Che, Xiaochao, et al. "Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5." Science (2021): eabl7957.
 
[5]https://www.chinadaily.com.cn/a/202110/13/WS6166764ca310cdd39bc6ea6a.html
 
[6]http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/18/content_5580772.htm
 
[7]http://finance.people.com.cn/n1/2021/0713/c1004-32156005.html
 



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