嫦娥五號樣品“講述”月球故事

楊蔚

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 地球與行星物理重點實驗室，北京 100029

2020年12月17日，嫦娥五號樣品艙成功著陸于內(nèi)蒙古四子王旗，帶回1 731 g月球樣品，實現(xiàn)中國首次地外天體采樣[1]。這是中國探月工程的重要里程碑，使得中國成為繼美國和蘇聯(lián)后第三個從月球成功采樣返回的國家。

40多年前，美國阿波羅號(Apollo)和蘇聯(lián)月球號(Luna)已經(jīng)對月球完成9次采樣，中國為什么還要對月球再次采樣呢？新的樣品能夠帶來什么新的發(fā)現(xiàn)呢？2021年7月12日，國家航天局舉行嫦娥五號任務(wù)首批月球科研樣品發(fā)放儀式，向國內(nèi)13所科研機構(gòu)發(fā)放共17.476 4 g樣品，開啟了中國月球樣品研究的熱潮。截至目前，中國科學(xué)家已經(jīng)在月壤物質(zhì)組成[2-4]、月球晚期火山活動時間和性質(zhì)[5-13]、月表太空風(fēng)化作用[14-15]等方面取得系列原創(chuàng)成果，在國際學(xué)術(shù)界獲得巨大的反響[16-18]。

1 樣品研究揭開月球歷史

基于不同的觀測方式，人類對地外天體的認(rèn)識可以分為三個階段：天文觀測，遙感或就位探測，樣品返回。在樣品返回后，利用最先進(jìn)的技術(shù)對樣品開展全面系統(tǒng)的分析，使得我們對該天體認(rèn)識發(fā)生質(zhì)的飛躍。例如，目前對于月球形成和演化的理解(圖1)，幾乎完全建立在對阿波羅號和月球號樣品的研究基礎(chǔ)之上，因此地外天體采樣的重要性不言而喻。

最著名的例子是月球巖漿洋理論。1970年2月，在阿波羅11號首次返回樣品僅半年后，巖漿洋理論就被提出[19]。通過研究阿波羅11號月壤中的1 676顆巖屑(尺寸1～5 mm)，Wood等[19]發(fā)現(xiàn)約有4%的顆粒是完全出乎意料的(totally unanticipated)——它們是主要由斜長石構(gòu)成的斜長巖。為了解釋斜長巖月殼的形成，Wood等[19]提出了巖漿洋理論：月球在形成之初，曾經(jīng)經(jīng)歷過全球尺度的熔融，其表面覆蓋了深達(dá)數(shù)百千米的巖漿形成的海洋；隨著月球冷卻，橄欖石和輝石率先結(jié)晶，由于密度較大，會下沉堆積在巖漿洋底部，形成原始月幔；當(dāng)巖漿洋結(jié)晶達(dá)到60%～70%時，斜長石開始結(jié)晶，由于密度小，會上浮堆積在巖漿洋頂部，形成原始的斜長巖月殼(圖2)。巖漿洋理論也能夠解釋克里普(KREEP)巖的形成：在巖漿洋固化的最晚期(＞99%)，殘留巖漿中的不相容元素含量不斷升高，最終在月幔與月殼之間形成極富鉀(K)、稀土(RE)、磷(P)等元素的克里普巖(圖2)。

圖1(a)月球形成和演化的時間線，LMO代表月球巖漿洋，KREEP代表克里普；(b)月海玄武巖單元及其撞擊坑模式年齡；(c)月球表面釷元素的含量分布(1 ppm=10-6)。綠色圓點代表美國阿波羅號采樣位置，藍(lán)色圓點代表蘇聯(lián)月球號采樣位置，紅色圓點代表嫦娥五號采樣位置(修改自文獻(xiàn)[17])

圖2 月球巖漿洋模型示意圖

另一個例子是月球形成的大撞擊理論[20]。它認(rèn)為原始地球遭受了一個火星大小的星子忒伊亞(Theia)的撞擊，撞擊濺射物圍繞地球吸積形成了月球(圖3)。月球的成因曾存在長期爭論，相關(guān)的理論包括捕獲說、分裂說等，但在阿波羅號返回樣品之后，這些學(xué)說全部被排除，新的理論被提出。月球樣品的研究表明，月球整體上相對于地球是貧鐵的，同時極度虧損揮發(fā)性元素。這些觀察結(jié)果不可能被其他學(xué)說解釋，卻能夠很好地被大撞擊理論解釋。如：碰撞后產(chǎn)生的巨大熱量使揮發(fā)性元素迅速逃逸，導(dǎo)致月球揮發(fā)性元素虧損；原始忒伊亞的鐵核主要進(jìn)入了地核，導(dǎo)致月球整體上相對于地球貧鐵。此外，大撞擊產(chǎn)生的巨大能量也為巖漿洋的形成提供了一個可靠的能量來源[21]。

除了月球形成和巖漿洋演化外，月球其他重大歷史事件的研究也離不開月球樣品。一方面，由于沒有大氣圈和水圈的風(fēng)化作用，月球表面保留了完整的隕石撞擊記錄，是研究太陽系撞擊歷史的絕佳對象?？茖W(xué)家基于阿波羅號樣品獲得的絕對同位素年齡，建立了撞擊坑定年方法，為理解太陽系其他天體的地質(zhì)演化提供了時間標(biāo)尺[22]。另一方面，科學(xué)家對月海玄武巖的研究，揭示了月球深部的物質(zhì)組成及其隨時間的演化特征，為理解月球的熱演化歷史提供了重要制約[23]。

圖3 月球形成的大撞擊理論模型示意圖

2 嫦娥五號采樣點的地質(zhì)背景

盡管美國和蘇聯(lián)已經(jīng)對月球進(jìn)行了9次采樣，但采樣區(qū)主要集中在正面的低緯度地區(qū)(圖1)，覆蓋的面積不足月球表面積的8%。受限于此，月球形成和演化的諸多重要科學(xué)問題尚無法回答，如月球形成年齡、巖漿洋固結(jié)時間、火山活動持續(xù)時間、古磁場及強度、太陽系早期(最初10億年)撞擊歷史，等等[24]。因此，月球科學(xué)研究還需要更多的月球樣品。在這樣的背景下，嫦娥五號再次出發(fā)前往月球取土，其著陸點位于風(fēng)暴洋的北部(43.06°N，51.92°W)[25]，遠(yuǎn)離美國阿波羅號和蘇聯(lián)月亮號的采樣區(qū)，具有獨特的地質(zhì)背景[26-36]。

根據(jù)月球表面的形貌和光譜，月海玄武巖被劃分為不同的單元(圖4(a))[37]。嫦娥五號著陸區(qū)位于P58月海玄武巖單元內(nèi)[38]。P58指的是在風(fēng)暴洋60個玄武巖單元中年齡從老到新排行第58的玄武巖單元，換而言之，它是風(fēng)暴洋第3年輕的玄武巖單元(圖4(b))，其年齡與最年輕的玄武巖單元很接近。這意味著P58玄武巖單元的年齡基本可以代表月球火山活動的結(jié)束時間。

圖4(a)月海玄武巖單元的分布及其撞擊坑定年年齡，紅色圓點代表嫦娥五號采樣位置；(b)月海玄武巖單元撞擊坑定年年齡的統(tǒng)計直方圖，紅色圓點代表嫦娥五號所在的P58月海玄武巖單元，它很接近月球最年輕的玄武巖單元之一(修改自文獻(xiàn)[37])

除了在年齡上很可能是最年輕的之外，嫦娥五號著陸區(qū)的玄武巖在化學(xué)成分上也非常獨特。例如：遙感光譜所獲得的著陸區(qū)TiO2的含量為5%～8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[30]，而過去很少采集到具有中等TiO2含量的玄武巖(圖5)。阿波羅號和月球號采集的玄武巖在TiO2含量上呈現(xiàn)明顯的低鈦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～4%)和高鈦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～13%)雙峰式分布，這種分布與遙感觀測的月海玄武巖TiO2分布并不吻合(圖5)。這種差異反映了過去的采樣偏差，即過多地采集了高TiO2含量的玄武巖，但對中等TiO2含量的玄武巖采集較少[39]，而嫦娥五號可以在一定程度上彌補此前阿波羅號和月球號的采樣偏差。

圖5(a)阿波羅號和月球號玄武巖樣品TiO2含量直方圖；(b)月海TiO2含量直方圖。橙色區(qū)域為嫦娥五號著陸區(qū)遙感光譜所獲得的TiO2含量(修改自文獻(xiàn)[39])

嫦娥五號著陸區(qū)的另一個顯著特征是高Th含量(圖1(c))。中子譜探測的結(jié)果顯示，著陸區(qū)Th含量高達(dá)5.0～8.5 ppm(1 ppm=10-6)[30]，高于阿波羅號和月球號玄武巖的0.2～3.9 ppm[40]。這種高Th含量通常被認(rèn)為與克里普物質(zhì)相關(guān)[41]，但是遙感探測反映的是月壤的平均組成，而月壤的物質(zhì)來源通常比較復(fù)雜。研究表明，嫦娥五號著陸區(qū)月壤可能包含了10%～40%的撞擊濺射物[30,35-36,42]。因此，嫦娥五號著陸區(qū)的這種高Th含量特征是否來自原地的玄武巖[43]，以及玄武巖是否與克里普物質(zhì)相關(guān)，還有待樣品的驗證。

綜上所述，嫦娥五號采樣點位于月球最年輕的月海玄武巖單元之一，遙感探測表明其化學(xué)組成較獨特，如中等TiO2含量和高Th含量，很有可能代表了一種新的月海玄武巖。對于嫦娥五號月壤的研究，將很有可能解開月球晚期火山活動之謎。

3 解密月球晚期火山活動

由于月球的質(zhì)量僅有地球的1.2%，熱演化模擬結(jié)果表明，在其形成之后很快就會冷卻固化，火山活動理應(yīng)在25億年前就停止了[44]。然而，撞擊坑定年顯示，嫦娥五號著陸區(qū)所在的P58玄武巖單元很可能形成于12億～22億年前[27,29-30,33,37,45]。首先，該玄武巖的精確形成時間還需要對月壤中的玄武巖巖屑進(jìn)行同位素定年；其次，如果它真的如此年輕，那么，就引發(fā)了另外一個問題：為什么這一區(qū)域火山活動可以持續(xù)如此之久？

導(dǎo)致月幔發(fā)生熔融形成火山活動有三種可能的方式：①加熱，即深部存在熱源，如富集克里普物質(zhì)，具有高U、Th、K等放射性元素的特點，放射性衰變反應(yīng)持續(xù)釋放熱量，導(dǎo)致深部巖石升溫發(fā)生熔融；②減壓熔融，即深部物質(zhì)上涌，因壓力的釋放導(dǎo)致巖石熔點降低，從而發(fā)生熔融；③富含揮發(fā)分，即揮發(fā)分物質(zhì)的加入導(dǎo)致巖石熔點降低，從而發(fā)生熔融。

月球晚期火山活動在分布上與高Th含量具有一定的相關(guān)性，因此，富含克里普物質(zhì)提供的放射性熱量通常被認(rèn)為是維持月球長時間火山活動的主要原因[46-47]，但是這一觀點并未得到樣品的直接驗證。嫦娥五號樣品采自接近月球最年輕的玄武巖單元，為解開月球長時間火山活動之謎提供了線索。

3.1 月壤樣品和玄武巖巖屑

嫦娥五號采集的并不是玄武巖，而是覆蓋在玄武巖基巖之上的月壤。月壤是月球表土的細(xì)粒部分(圖6)，其物質(zhì)來源極為復(fù)雜，既包含下覆基巖的貢獻(xiàn)，也包含撞擊作用帶來的深部或遠(yuǎn)處的濺射物[48]。因此，科學(xué)家首先需要從月壤中分選出玄武巖巖屑顆粒。

圖6 月壤的太空風(fēng)化作用及對內(nèi)部物質(zhì)組分繼承的示意圖(引自文獻(xiàn)[46])

研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月壤具有較低的Al2O3(10.8%)和CaO(11%)含量，較高的FeO(22.5%)含量，明顯不同于斜長質(zhì)月殼和克里普巖，而類似于月海玄武巖，說明其物源主要是月海玄武巖。從月壤中分選的較大顆粒，主要包括如下幾種類型：玄武巖巖屑、角礫巖、黏結(jié)物(agglutinate)和玻璃等[4]。玄武巖巖屑主要由單斜輝石、斜長石、橄欖石和鈦鐵礦等礦物構(gòu)成，從結(jié)構(gòu)上，可以被分為嵌晶結(jié)構(gòu)、輝綠/次輝綠結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu)和等粒結(jié)構(gòu)(圖7)。玄武巖的結(jié)構(gòu)通常與初始巖漿的成分、溫度以及冷卻結(jié)晶的速率相關(guān)[49]，那么，這些具有不同結(jié)構(gòu)的玄武巖巖屑是否存在成因上的聯(lián)系呢？

盡管4種類型的玄武巖巖屑在結(jié)構(gòu)上存在較大的差異，但是它們在礦物化學(xué)成分上非常相似，而且輝石、橄欖石和長石都具有相同的變化范圍和成分演化趨勢(圖8)。例如，不同類型的玄武巖巖屑，其輝石的Ti和Al的摩爾濃度都符合1∶2的相關(guān)性(圖8(b))，說明這些輝石很可能形成于同一次冷卻事件，而礦物粒徑和結(jié)構(gòu)差異來自處于熔巖流不同位置冷卻速率的差異[5]。這一結(jié)論也得到了Pb-Pb定年和Sr-Nd同位素結(jié)果的支持，研究發(fā)現(xiàn)這些玄武巖不僅具有相同的形成年齡[6,9]，而且具有類似的Sr-Nd同位素組成[5]。這也意味著嫦娥五號月壤中的玄武巖巖屑均來自其下覆的P58玄武巖單元。

圖7嫦娥五號月壤中玄武巖巖屑的4種主要結(jié)構(gòu)：(a)嵌晶結(jié)構(gòu)；(b)次輝綠結(jié)構(gòu)；(c)斑狀結(jié)構(gòu)；(d)等粒結(jié)構(gòu)。Cpx，單斜輝石；Pl，斜長石；Ol，橄欖石；Ilm，鈦鐵礦；Spl，尖晶石；Tro，隕硫鐵；Crs，方石英(引自文獻(xiàn)[5])

圖8嫦娥五號玄武巖的礦物化學(xué)成分：(a) 輝石成分四邊形圖；(b) 輝石Ti/Al圖；(c) 橄欖石成分圖；(d) 長石成分三角圖(修改自文獻(xiàn)[5])

3.2 定位含鋯礦物和測定同位素年齡

同位素年代學(xué)是理解月球形成和演化的重要基礎(chǔ)，但對珍貴稀少且尺寸微細(xì)的月壤顆粒進(jìn)行高精度同位素定年絕非易事。目前，最精確的方法是離子探針Pb-Pb定年法[50]。在月海玄武巖中，最佳的Pb-Pb定年礦物是富Zr礦物，如斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石等，但是這些富Zr礦物的尺寸普遍較小(＜5 μm)，這導(dǎo)致兩個技術(shù)難點：第一，如何尋找并定位富Zr顆粒；第二，如何實現(xiàn)超高空間分辨率Pb-Pb定年。針對第一個難點，Li等[51]利用顯微X-射線熒光光譜技術(shù)(μXRF)和三維X-射線顯微鏡(3D-XRM)結(jié)構(gòu)成像技術(shù)，建立了快速篩選富Zr顆粒的方法。針對第二個難點，Liu等[52]在離子探針上建立了超高空間分辨率(2～3 μm)定年方法。

利用上述兩項技術(shù)，Li等[9]對嫦娥五號月壤中全部4種類型的玄武巖巖屑進(jìn)行了Pb-Pb定年。結(jié)果顯示，不同結(jié)構(gòu)的玄武巖給出了一致的Pb-Pb等時線，所獲得的Pb-Pb年齡在誤差范圍內(nèi)一致(圖9)，進(jìn)一步支持這些玄武巖形成于同一次冷卻結(jié)晶事件。統(tǒng)計分析全部47個玄武巖巖屑的Pb-Pb定年結(jié)果，其富Zr礦物精確限定的玄武巖形成年齡為20.30億年±0.04億年。這一結(jié)果與Che等[6]所報道的另外兩顆嫦娥五號玄武巖的年齡(20.1億年±0.5億年)在誤差范圍內(nèi)一致[11]，共同指示嫦娥五號著陸區(qū)所在的P58玄武巖單元形成于20億年前，該結(jié)果比阿波羅號樣品和月球隕石限定的月球火山活動結(jié)束時間晚8億年。

嫦娥五號玄武巖的精確年齡為撞擊坑定年曲線提供了關(guān)鍵的錨點。此前，對P58玄武巖單元的撞擊坑定年結(jié)果存在較大的差異，變化范圍為12億～22億年[27,29-31,33,37,45]，主要原因是10億～30億年之間缺少定標(biāo)點(圖10)。嫦娥五號玄武巖恰好填補了此空白區(qū)。Yue等[53]基于其年齡建立了新的撞擊通量函數(shù)，對定年結(jié)果的修正最大可達(dá)到2億年(圖10)，為理解月球演化和內(nèi)太陽系撞擊歷史提供了更加精確的時間標(biāo)尺。

圖9嫦娥五號月壤中4種結(jié)構(gòu)玄武巖巖屑的定年結(jié)果：(a) 嵌晶結(jié)構(gòu)；(b) 斑狀結(jié)構(gòu)；(c) 次輝綠結(jié)構(gòu)；(d) 等粒結(jié)構(gòu)(修改自文獻(xiàn)[9])

圖10基于嫦娥五號玄武巖年齡建立的新撞擊通量函數(shù)：(a) 新舊函數(shù)的對比；(b) 新舊函數(shù)所獲得模式年齡的差異(修改自文獻(xiàn)[53])

3.3 月球長時間火山活動之謎

在確定了嫦娥五號玄武巖的年齡后，緊接著的問題是為何月球在20億年前仍然存在火山活動。如前所述，導(dǎo)致月幔熔融存在多種可能，其中有兩種相對容易驗證的可能性：①玄武巖源區(qū)富含的克里普物質(zhì)持續(xù)放射性生熱，維持了月球長時間火山活動[46-47]；②玄武巖源區(qū)富含揮發(fā)分，導(dǎo)致月幔熔點降低，從而誘發(fā)了火山活動。

要驗證第一種可能性，需要借助放射性同位素，如Sr、Nd、Pb等。這些同位素可以類比成巖石的“基因”，來源不同的玄武巖具有不同的同位素組成。激光等離子體質(zhì)譜分析結(jié)果表明，嫦娥五號玄武巖的Sr-Nd同位素組成與克里普物質(zhì)顯著不同(圖11)，克里普組分的貢獻(xiàn)不足0.5%[5]。這一結(jié)果排除了月幔富含放射性生熱元素因而維持月球長時間火山活動的主流假說。

圖11嫦娥五號玄武巖Sr-Nd同位素特征。嫦娥五號玄武巖Sr-Nd同位素與克里普物質(zhì)具有顯著的差異，計算表明，克里普組分的貢獻(xiàn)不足0.5%(修改自文獻(xiàn)[5])

要驗證第二種可能性，需要估算嫦娥五號玄武巖源區(qū)的水含量。利用納米離子探針分析玄武巖巖屑的磷灰石和熔融包裹體中水含量和H同位素，然后考慮巖漿過程所造成的水含量變化，估算出月幔源區(qū)的水含量僅為1～5 g/t，低于阿波羅號樣品和月球隕石估算的月幔水含量(圖12)。這一結(jié)果表明，嫦娥五號玄武巖的月幔源區(qū)非?！案伞?，月球晚期火山活動的原因也不是源區(qū)富含水從而降低了熔點。

圖12 月幔水含量隨時間演化。嫦娥五號玄武巖源區(qū)的水含量低于阿波羅和月球隕石估算的月幔水含量(修改自文獻(xiàn)[7])

綜上所述，對嫦娥五號月壤中的玄武巖巖屑的研究揭示了月球20億年前曾發(fā)生過火山活動。盡管其誘發(fā)機制尚不清楚，但可以排除兩個主流假說：富克里普物質(zhì)提供了額外熱量導(dǎo)致月幔熔融，或富水源區(qū)降低了熔點。月球長時間火山活動之謎仍未完全解開。是否存在某種機制使得月球的冷卻比預(yù)期的更慢，或存在月幔對流導(dǎo)致減壓熔融？這些可能性還需要未來逐一去驗證。

4 中國行星科學(xué)迎來樣品時代

盡管阿波羅號和月球號已經(jīng)完成了9次月球采樣，嫦娥五號月球樣品的研究仍然能夠帶來顛覆性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。嫦娥五號樣品研究才剛剛起步，未來還將有更多激動人心的發(fā)現(xiàn)，解開更多的月球之謎，如20億年前月球是否存在磁場，中緯度太空風(fēng)化作用有何不同，其對月表水有多大的貢獻(xiàn)，等等。

與此同時，對于月球樣品的研究也極大地牽引了顯微分析技術(shù)的發(fā)展[54]。這些先進(jìn)分析技術(shù)不僅可以應(yīng)用于月球樣品，還可以應(yīng)用于其他地外樣品。在不久的未來，中國將實現(xiàn)嫦娥六號月球南極采樣、天問二號小行星采樣，并正在計劃火星采樣。中國的行星科學(xué)研究正在開啟新的篇章，迎來樣品時代。新樣品必將帶來新發(fā)現(xiàn)，新發(fā)現(xiàn)必將催生新理論，從而為我們解開更多太陽系和行星演化的秘密。

(2022年6月7日收稿)