嫦娥五號樣品揭示月球二十億年前仍存在巖漿活動

2024-06-28科學

嫦娥五號樣品揭示月球二十億年前

仍存在巖漿活動

本工作對嫦娥五號樣品中的4種結構共計47塊玄武巖巖屑分別進行了離子探針原位Pb-Pb等時線定年，論證了他們來自同期次巖漿活動，獲得綜合等時線年齡為2030±4Ma，並根據初始Pb組成計算出巖漿源區的μ值（²³⁸U/²⁰⁴Pb）為684±40。嫦娥五號玄武巖為目前發現的最年輕月球巖漿活動產物，將月球巖漿活動結束的時限較之前的認知延長了8億年以上。較低的源區μ值指示嫦娥五號玄武巖來自虧損克里普組分的巖漿組分。嫦娥五號玄武巖的高精度同位素年齡為撞擊坑統計定年曲線的標定提供了關鍵錨點，將大幅提高該方法的定年精度。

作為地球的唯一衛星，月球已經緊密伴隨我們生活的地球45億年之久。肉眼可見的月球表面可分為較為明亮的高地和較暗的月海，月陸主要為年老的淺色斜長巖，而只占月表面積17%的月海區域是較其他地質單元持續更長時間的玄武質巖漿巖(Shearer et al.,2006)。對阿波羅計劃采集回的月球樣品進行了年齡測定，發現其都形成於30億年前，即使加上收集到的幾百塊月球隕石，也最多推遲到28億年前(Borg et al.，2004)。按照這些資訊，傳統觀點認為月球在28億年前就失去了一個星球繼續演化的內動力。然而，撞擊坑統計定年法顯示還可能存在30億～10億年期間更年輕的巖漿活動，不足之處是這種方法誤差非常大，需要返回樣品的同位素年齡進行校準。台北時間2020年12月17日1時59分，嫦娥五號返回器攜帶1731g月球樣品安全著陸。本次任務的主要科學目標就是采集可能的年輕玄武巖來進一步揭示月球演化的奧秘。

精確測定嫦娥五號玄武巖年齡

對玄武巖顆粒進行分析統計，可辨識出樣品中的4種結構類別，即(次)輝綠結構、嵌晶結構、等粒結構和斑狀結構。阿波羅計劃返回樣品中通常發現多期次巖漿活動，考慮到嫦娥五號樣品同樣可能存在不同期次的巖漿活動，研究團隊進一步對不同類別的玄武巖分別進行了定年研究。研究團隊在47塊不同結構的玄武巖碎屑中快速定位出3～8μm直徑的含鋯礦物，即斜鋯石、靜海石和鈣鈦鋯石。之後，透過基於離子探針實驗室自主研發的超高空間分辨率U-Pb定年技術，以3μm的束斑對51顆含鋯礦物進行了精準測試。最終，科研人員認識到不同結構類別的玄武巖其實來源於同一期次的巖漿活動，綜合起來得到了一個精確的年齡：20.30±0.04億年。這一發現將月球最年輕的玄武巖樣品年齡更新到20億年前，月球的「地質壽命」延長了8億～9億年。

嫦娥五號玄武巖離子探針分析測點

右下為巖屑整體的背散射影像

嫦娥五號玄武巖 Pb-Pb 年齡等時線圖

圖中五邊形點標示初始 Pb 組成，獲得月球兩階段 Pb 演化模式計算出的源區μ值為 684 ± 40

辨識嫦娥五號玄武巖源區特征

嫦娥五號帶回來的玄武巖如此年輕，不僅重新整理了我們此前對月球巖漿活動的認知，同時也對月球熱演化歷史發出了追問：月球的直徑不到地球的1/3，對於具有如此大表面積/體積比的星球來說，為什麽月球的火山活動卻可以持續到20億年前？要讓固態的巖石發生熔融，自然會想到需要增加額外的熱。因此，傳統觀點認為，月球之所以能夠持久存在火山活動，得益於巖漿的源區富集克里普組分來提供放射性熱。然而，由於此前所收集到的樣品都遠遠「老」於嫦娥五號玄武巖，這個假說還沒有被年輕玄武巖樣品所證實。從嫦娥五號玄武巖本身來說，初步的分析顯示，它的確比較富含Th，但巖漿分離結晶過程也會導致殘余巖漿Th含量的升高，因此，初步分析結論並不意味著源區就富集Th。

要辨識巖漿起源時是否富含克里普物質，還需要采集其源區的同位素資訊加以驗證，其原理是如果因為長時間放射性衰變帶來的熱，那麽源區熔融時候就應該累積了較多的放射性子體元素，必然應存在較高的m值（²³⁸U/²⁰⁴Pb）。本工作透過106顆主要礦物(長石和輝石)的U-Pb測試，發現5個顆粒具有低於0.01的U/Pb值，限定了初始Pb的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb為0.860±0.019。根據47個巖屑中159個礦物測點擬合的等時線方程式和初始²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb計算了初始²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb為0.00228±0.00011。根據初始Pb組成計算出玄武巖源區的μ值為684±40。嫦娥五號玄武巖源區的μ值與古老的阿波羅玄武巖源區μ值(300～1000)在範圍內一致，而與克里普組分(2600～4000)具有顯著區別(Snape et al.，2016)，說明嫦娥五號的月幔源區與克里普巖的特征具有明顯差異，這一發現說明維持月球長期火山活動的並非月幔中富含的克里普組分。

最佳化撞擊坑統計定年曲線

之前不同研究者對嫦娥五號著陸區進行過大量撞擊坑統計定年工作，得到的年齡主要在12億年和27億年之間(Qian et al.，2021)。相同方法得到的年齡範圍如此之廣，最主要的原因是根據已有樣品建立的撞擊坑統計定年曲線上的限定點並不多，尤其是10億年到30億年之間完全是空白(Hiesinger et al.，2010)。本次嫦娥五號樣品的精確年齡為這條定年曲線在空白中心的20億年處提供了一個關鍵錨點，可以極大地提高撞擊坑統計定年方法的精確度，這不僅對月球其他區域的定年工作十分重要，對於內太陽系其他星體表面的定年工作也同樣適用。

致謝

樣品分析工作和論文成文討論過程中得到楊蔚、陳意、惠鶴九、田恒次等科研人員的幫助。本工作得到中國科學院重點部署專案(ZDBS-SSW-JSC007-13)、中國科學院地質與地球物理研究所重點部署專案(IGGCAS-202101)、國家自然科學基金專案(41773044)和國家國防科技工業局民用航天技術預先研究專案(D020203)資助。