嫦娥五号月壤样品。中国科学院供图

  月球上火山活动何时停止？曾经的岩浆活动如何维持？月球内部有多少水？19日，中国科学院发布了嫦娥五号月球科研样品最新研究成果，对上述问题进行了解答。研究证明，嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩，月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年，比以往月球样品限定的岩浆活动时间延长了约8亿年，其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素，并且月幔源区几乎没有水。

  相关研究成果于北京时间10月15日和19日分别发表在《国家科学评论》和《自然》上。

  月球直到20亿年前仍存在岩浆活动

  2020年12月17日，嫦娥五号样品舱成功着陆内蒙古四子王旗，带回了1731克月球样品，这是我国首次完成地外天体样品采集，也是人类44年来再次取回新的月球样品。

  月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆经过火山喷发至月表冷却结晶形成的岩石。火山活动是月球具有内动力的表现，火山活动停止表明月球失去了内动力，也就意味着地质意义上的“死亡”。因此，研究火山岩可以揭示月球化学组成和热演化历史。

  此前的月球样本和地球上月球陨石研究已证实，月球的生命特征——岩浆活动至少持续到28亿至30亿年前，古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了所见的“月海”。但是，对于月球最晚期岩浆活动的成因和岩浆活动停止的确切时间等问题，科学界一直存在争议。

  围绕上述问题，中科院地质与地球物理研究所（以下简称地质地球所）和国家天文台主导，联合多家研究机构团队对嫦娥五号月壤样品中的玄武岩岩屑进行了年代学和岩石地球化学研究。

  嫦娥五号这次在月球上的着陆点位于风暴洋西北处吕姆克山附近，远离人类以前的采样点。中科院院士、地质地球所研究员李献华说：“嫦娥五号着陆区是月球最年轻玄武岩单元之一，过去科学家曾以一种统计区域撞击坑的大小和数量的方法，推断这一区域的年龄为10亿至30亿年。但是这种方法存在着极大的不确定性。”

  在这次最新的研究中，科研人员利用超高空间分辨铀—铅（U—Pb）定年技术，对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物（斜锆石、钙钛锆石、静海石）进行分析，确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年，证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。也就是说，月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动延长了约8亿年。

  “此次嫦娥五号月球样品玄武岩的精确年代学数据为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点，将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。”李献华说。

  月幔非常“干”，水含量仅为1—5微克/克

  2021年7月12日，国家航天局在中科院国家天文台举行嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式，国内共有13家科研机构获得样品，其中，地质地球所等7家院属单位参与了此项工作。

  团队科研人员拿到嫦娥五号月球样品后，第一时间就对其进行了地球化学分析。

  李献华说：“我们分析发现，嫦娥五号月球样品的特性和阿波罗飞船月球样品基本上是一样的，但是粒度更细一点，均值是49.8微米。这是什么概念呢？我们的面粉粒度均值是75微米左右，也就是说月壤摸起来比面粉手感还要细腻一些。”

  科研人员还发现，嫦娥五号月球样品中的玄武岩铁含量非常高，镁含量非常低，这是一种全新的类型，且来自于同一次的岩浆喷发事件。

  除了月球岩浆活动停止的确切时间外，月球最晚期岩浆活动的成因也一直是未解之谜。目前科学界存在两种可能的解释：岩浆中富含放射性元素以提供热源，或富含水以降低熔点。

  最新研究基于地质地球所研发的超高空间分辨同位素分析技术，取得了意料之外的结果：嫦娥五号月球样品玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”（这几种元素在地球化学上被称为“不相容元素”，意为不容易进入到固体中的元素）。

  李献华说：“嫦娥五号月球样品富集‘克里普物质’的特征，是由于岩浆后期经过大量矿物结晶固化后，残余部分富集而来。这一结果否定了初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说，揭示了月球晚期岩浆活动过程。”

  对于岩浆是否富含水，科研团队利用地质地球所纳米离子探针研发的分析技术，计算了嫦娥五号月球样品玄武岩中的水含量和氢同位素组成，获得月幔的水含量仅为1—5 微克/克，也就是说月幔非常的“干”。

  科研人员指出，这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点，导致该区域岩浆活动持续时间异常延长的猜想。

  未来月球的探测和研究有了新方向

  专家表示，新的研究成果为未来月球的探测和研究开辟了新的方向。“过去认为月球差不多在30亿年到28亿年前就停止了岩浆活动，我们的最新研究确定在20亿年前月球仍存在岩浆活动。那么为什么会有岩浆活动？过去认为，可能是这个地区的放射性元素非常高，或者是富含水，我们的研究也证实并不是这两个原因。看来，我们应该重新思考月球的地球化学和热演化的理论和模型。”李献华说。

  该系列成果作为中国人全面主导的原创性工作，得到国际专家的高度评价。

  德国拜罗伊特大学教授、国际知名行星科学家奥德蕾·布维尔说：“精确的年代学研究结果表明，嫦娥五号月球样品玄武岩形成于20亿年前，比以往认为月球岩浆活动停止时间晚了近10亿年。这些研究结果也为月球年轻岩浆活动的成因提出了新的问题和研究方向。”

  “迄今为止，月球历史上在30亿年前到10亿年前之间到底有没有岩浆活动，火山喷发的数据记录是一片空白，中国科学家发表的嫦娥五号月球样品研究填补了这项空白。”美国加州大学戴维斯分校教授、国际知名同位素地球化学和宇宙化学家尹庆柱认为，这一重大发现对于太阳系行星表面陨石坑撞击年龄的绝对标定，以及对于进一步研究月球的热历史演化都具有非常重要的意义。

  中科院副院长周琪透露：“中科院也在积极推动月球样本研究的国际合作，中科院与法国科研中心在月球样本合作领域方面已达成初步共识。”