嫦娥五号带回最年轻月球样品

人类对月球的想象和探索从未停止。

20世纪60年代开始，美国阿波罗计划曾6次、前苏联月球号曾3次从月球带回样品。

20世纪70年代，美国赠送中国1g月球样品。该样品被中国科学家们视若珍宝，1g样品分成两份，一半收藏在北京天文馆，一半用来研究，也正是这0.5克月球土壤样品，中国学者发表了14篇论文。

40多年后，2020年12月17日凌晨，嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，再次返回月球样品。嫦娥五号返回的月球样品，是迄今为止最新也是最年轻的月球样本。

2021年10月19日，国际顶尖学术期刊Nature发表了3篇中国嫦娥五号月球样品返回任务的研究结果论文，为月球热演化和化学演化提供了新知：月球内部在约20亿年前仍在演化，月球冷却的速度可能比之前想的更慢。

3篇论文标题为Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts、A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5，和Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane，通讯作者分别为中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华、副研究员胡森以及研究员杨蔚。

新样品更“年轻”

根据美国和前苏联的月球样品分析，月球上的岩石年龄都大于30亿年，即使加上收集到的所有月球陨石，最年轻的也大于28亿年。

但事实并非如此。

根据李秋立等研究人员的成果，嫦娥五号返回的样品年龄只有20亿年左右，这比之前最年轻的样本还要年轻8亿年以上。

与以往的方法不同，中科院地质地球所的离子探针团队在过去十余年里持续研发微区U-Pb体系定年技术和方法，一个测试数据完成大约要10分钟时间。

“当第一个年龄数据跃然屏上，20亿年！我们都没敢相信这是真的”。

为了让结果更加严谨，科学家们统计了47块岩屑，对其中各种矿物，尤其是对玄武岩最具代表性的定年对象，即含锆矿物——斜锆石、钙钛锆石、静海石（在月球静海中首次发现的矿物，因此取名静海石），虽然只有头发丝直径的二十分之一甚至更小，通过自主研发的超高空间分辨率测试手段，对3微米以上的50多颗含锆矿物进行了精确测试。

最终科学家们得到了误差范围内相同的结果，即20.30±0.04亿年。

这一发现除了更新月球最年轻样品的纪录，还进一步挖掘了熔融出这些样品的月幔源区的特征。如果说最年轻的年龄是嫦娥五号任务开始时可以预期到的，那么熔融出这些样品的岩浆源区的特征却是出人意料的。

按照之前的设想，嫦娥五号着陆区是个克里普地体，可能溶出这些岩石的源区也富集不相容元素，但返回样品暗示着，岩浆源区具有很低的U/Pb比值，并不富集U，显然是亏损放射性生热元素的。

综合这两项新成果，月球上最年轻的岩浆来源于放射性生热元素亏损的源区，这就对月球的演化过程提出了一个全新的科学问题。一方面，小到约地球百分之一质量的月球并没有之前想象的那样早早就结束了地质生命；另一方面，这么晚的岩浆活动却又不是想象中通过放射性生热元素积累热量来产生的。

“失踪”的克里普

克里普，因为富集钾（K）、稀土（REE）、磷（P）（缩写KREEP，即克里普）而得名。

如今，克里普已经一跃成为月球科学家关注的焦点之一，克里普月球形成和演化理论认为，月球形成之初，曾被深达数百公里的岩浆洋覆盖。随着岩浆洋的不断结晶，不相容元素，如：铀（U），钍（Th），钾（K）、稀土（REE）、磷（P）等，在残余熔体中不断富集，形成了克里普，并最终集中在月球的壳-幔之间。

但是，除了少量的月球返回样品和陨石中富含克里普组分外，人们并没有发现真正的克里普岩。

根据嫦娥五号在月球最年轻的地方返回的样品，科学家们发现，这些样品比阿波罗和月球号返回的月球玄武岩都更加富含不相容元素，例如稀土元素。

但是，这既可能来自于克里普的贡献，也可能来自于大量矿物结晶的高程度演化。从矿物学研究的结果看，嫦娥五号玄武岩确实经历过高程度演化。

凭借着中国科学院地质与地球物理研究所激光剥蚀电感耦合等离子体实验室十几年的技术积累，科学家们采用世界最高空间分辨的激光原位分析方法，分别在80微米和20微米尺度获得长石的Sr和白磷钙矿的Nd同位素，这也是迄今为止微区Sr-Nd同位素分析方法首次应用于月球样品研究。

锶（Sr）和钕（Nd）同位素的结果出乎预料，嫦娥五号玄武岩，迄今为止月球最年轻的玄武岩，其锶（Sr）和钕（Nd）同位素与克里普具有显著的差异。计算表明，其在形成过程中，克里普组分的贡献不足千分之五。

这一发现意味着，维持月球长期火山活动的，并非月幔中富含克里普。但是，在月幔不含克里普组分的情况下，月球的岩浆活动为什么能持续这么久呢？这还需要继续研究。

月球内部有水吗

月球内部有水吗？

针对这一问题，科学界一直争论不休。

根据大撞击起源假说，月球就是一个近乎干透了的星球。但2008年，科学家们利用一种微束分析技术研究了阿波罗任务采集的火山玻璃，用微米大小的离子束轰击样品的表面，测量产生的氢离子（H-）信号，并且最终估算出岩浆中的水含量高达745微克/克，这证明月球并不贫水。

但随后，在对更多月球样品的水含量分析，不同的团队给出不同的结果，估算的月球内部水含量差异达两个数量级，因此月球内部到底是“干”或“湿”，再次成为月球探测要解决的关键科学问题。

为此，在得到嫦娥五号返回的样品后，科学家们利用高空间分辨的纳米离子探针分析了样品的水含量和氢同位素组成，具体的分析目标是玄武岩中的岩浆包裹体和磷灰石。除此之外，科学家们还分析了水的氢同位素组成，即氘/氢比值。

分析结果表明，包裹在钛铁矿中的岩浆包裹体，氘/氢比值很低，并与水含量负相关，反映其母岩浆中的水在岩浆结晶过程发生过明显的丢失，由于氢的同位素丢失速度快，使剩余岩浆中的水具有重的氢同位素组成。

因此，具有氘/氢最低比值的包裹体，代表了最原始的岩浆。此外，分析得到的氘/氢最低比值，与月幔水的氢同位素组成一致，也证明嫦娥五号的玄武岩是由月幔部分熔融形成的。

嫦娥五号样品的水主要以OH（羟基）的形式存在于磷灰石中。嫦娥五号样品中的磷灰石含量很低（-0.4%），这也反映出采集到的嫦娥五号玄武岩很“干”。

通过对嫦娥五号玄武岩非常细致的矿物、微量元素和同位素分析，可以确定嫦娥五号的玄武岩浆是从月幔岩石熔融出的很少物质，再经过结晶移出大量橄榄石和辉石等不含水矿物后最终形成的。

这个过程使岩浆中的水含量提高了约200倍，因此，估算出的月幔源区的水含量仅为1-5微克/克，表明嫦娥五号玄武岩的源区非常“干”。这一结果比之前基于阿波罗月岩和月球陨石估算的月幔水含量偏低，落在月幔水含量估值的最低端。

该研究还确证了，造成月球火山活动持续异常的原因，不是因为月幔水含量高而导致熔点降低之故，这些新发现与此前对月球的认识有很大不同。

嫦娥5号着陆区异常活跃的火山活动既不能归因于源区富集放射性生热元素，也不是由于源区富含水，这对未来的科学研究和月球探测提出了新的目标。

本次针对嫦娥五号返回的月球样品研究，还只是一个开始。对于月球，我们还留有太多的空间去想象、去研究。

希望未来这些问题都能被一一解答，为中国探月工程加油，向中国科学家致敬。