揭秘年輕火山成因、月球“撞擊”歷史之謎……嫦娥五號月球樣品科研成果發(fā)布

我們對月球的認識，又有了新突破！第一屆嫦娥五號月球樣品研究成果研討會舉辦，來看嫦娥五號月球樣品研究取得哪些系列原創(chuàng)性成果。

撰文/記者 段然 新媒體編輯/呂冰心

2023年1月16日，在農(nóng)歷新春佳節(jié)臨近之際，由探月與航天工程中心、中科院前沿科學與教育局、國家自然科學基金委員會地球科學部主辦，中科院地質(zhì)與地球物理研究所承辦，國家天文臺協(xié)辦的“第一屆嫦娥五號月球樣品研究成果研討會”在北京成功舉辦。

來自航天科技、地球與地質(zhì)科學、核工業(yè)等多個相關(guān)領域的杰出專家云集此次研討會，先后有14位與會專家受邀在研討會上作了精彩的學術(shù)報告，對嫦娥五號月壤樣品的基本情況，樣品的最新研究成果以及嫦娥六號采用任務的未來規(guī)劃作了詳細生動的介紹。席間，圍繞嫦娥5號月壤樣品基本特性、月球火山活動歷史及年輕火山活動成因、月球水和揮發(fā)分含量與來源、月球表面運輸撞擊與太空風化作用、地外樣品分析新技術(shù)發(fā)展等關(guān)鍵主題進行了廣泛深入的交流與研討，在鞏固消化中國探月工程最新科研成果的同時，也為中國乃至全球的科學界獻上了一場精彩紛呈的思想盛宴。

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從“嫦娥五號”到“嫦娥六號”

作為我國探月三期工程的收官之作，嫦娥五號探月任務的圓滿完成，不僅標志著我國探月工程取得階段性勝利，還從月球帶來了一份無價之寶——質(zhì)量為1731克的月壤樣品。這批蘊含著海量月球地質(zhì)信息的珍貴樣品，于2021年7月21日開始向各科研單位發(fā)放，首批發(fā)放了13個科研機構(gòu)。此后一年多的時間里，先后完成了五個批次共198份樣品的發(fā)放，總共65.1041克。面對這些首次由中國航天器帶回的月壤樣品，科研人員們表現(xiàn)出前所未有的熱忱，很快就從中解讀出大量足以顛覆以往認知的重要信息，重大成果競相涌現(xiàn)，并引起國內(nèi)外學術(shù)界的強烈反響。
在研討會上，中國探月工程的領軍人物分別作了主旨報告。中國探月工程三期副總設計師及嫦娥六號任務副總設計師李春來院士對嫦娥五號樣品的申請和研究情況，以及未來嫦娥六號任務的著陸區(qū)選擇作了詳細報告。中科院地質(zhì)與地球物理研究所的朱日祥院士則對嫦娥五號樣品的評審情況和研究成果概括進行了系統(tǒng)梳理。探月與航天中心嫦娥六號/八號任務副總設計師王瓊則對未來嫦娥六號月球背面采樣返回任務作了介紹與展望。

作為中國探月工程三期總設計師，參加此次研討會的胡浩對記者表示：“這么多的單位與團隊來參與月壤樣品的研究，并且取得了很多的科研成果，這對于中國探月工程特別是嫦娥五號任務而言，是一個巨大的肯定與推動?！?胡浩認為，嫦娥五號工程是在技術(shù)上搭建一個平臺，使科學家們獲取更多的信息，以滿足科研工作的需要。他同時指出，嫦娥五號任務的復雜性主要體現(xiàn)在環(huán)節(jié)多、變化大，嫦娥五號既要在地球軌道上飛行，又要進行繞月飛行和著陸，還要進行樣品采集并返回，這些環(huán)節(jié)都是新的挑戰(zhàn)。對于未來的嫦娥六號，胡浩說道：“我們后續(xù)還有嫦娥六號任務，他們對嫦娥六號任務的期待，就是對我們的要求，我們要更加倍努力地完成我們的任務，來滿足科學家們各個方面的要求?！?br /> 正是在嫦娥五號月壤樣品的毫厘微塵之間，科學家們用科學嚴謹?shù)乃季S，逐步為世人描繪了一幅月球前世今生的奇妙圖景。

補鈦補鈣，益壽延年？
揭秘月球年輕火山成因之謎

在研討會上，來自中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所的李獻華院士、胡森研究員與田恒次副研究員，來自中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院的汪在聰教授與錢煜奇博士等專家，針對月球火山活動歷史及年輕火山活動成因等重大科學問題作了精彩報告。而他們的科研成果則是源自月壤中的玄武巖屑。
月球上的玄武巖是月幔部分熔融所產(chǎn)生的巖漿噴發(fā)到月表后凝固形成的巖石，蘊含著大量月球早期的地質(zhì)信息。嫦娥五號的登陸點位于風暴洋克里普地體的東北部地區(qū)，這一地區(qū)恰好位于地質(zhì)年齡第三年輕的玄武巖單元，該地區(qū)玄武巖的形成時間與月球火山活動結(jié)束的時間接近。通過對嫦娥五號月壤樣品中玄武巖屑的研究，中國的地質(zhì)學家們發(fā)現(xiàn)月球火山活動一直持續(xù)到20億年前，而傳統(tǒng)理論認為月球在25億年前就停止了火山活動。這極大刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認知，同時也將一個全新的問題擺在人類面前：月球火山活動為什么能持續(xù)如此之久？
針對這一問題，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所李獻華院士領導的研究團隊，采用新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術(shù)，對月壤玄武巖屑的全巖主量成分進行定量分析，結(jié)合一系列巖漿分離結(jié)晶模擬和熱力學模擬計算，獲得了嫦娥五號玄武巖和阿波羅低鈦玄武巖的初始巖漿成分，通過限定不同時期月球火山巖的源區(qū)組成，獲取了他們?nèi)廴诘臏貕簵l件。他們發(fā)現(xiàn)，相比于古老的阿波羅玄武巖，年輕的嫦娥五號玄武巖的初始巖漿含有更高的鈣和鈦?？赡芤驗樵磪^(qū)含有更高的巖漿洋晚期形成的單斜輝石-鈦鐵礦堆晶體，導致月幔熔點降低，誘發(fā)年輕火山的形成。李獻華院士就在研討會上的報告中總結(jié)道：“月幔源區(qū)，富鈣富鈦，熔點降低，因此月球的巖漿活動能夠持續(xù)到20億年前?！?br /> 這一研究成果對月球內(nèi)部冷卻的熱演化過程作了量化，為“月球年輕火山成因”這一科學問題提供了全新的解釋。同時為未來月球冷卻模型建立提供了新啟示。

月壤玻璃珠訴說月球“撞擊”歷史

除了玄武巖，月壤中還含有大量的玻璃，而因外來天體撞擊月球表面而形成的玻璃，是了解內(nèi)太陽系撞擊歷史的重要研究對象。通過對這些細微玻璃珠的研究，能夠了解月殼物質(zhì)組成和內(nèi)太陽系的撞擊動力學。中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所的車曉超副研究員就針對這一科學問題在他的報告中進行了深入講解。
由中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所、中國地質(zhì)大學（武漢）、澳大利亞科廷大學和國立大學、布朗大學等多家海內(nèi)外科研機構(gòu)組成的國際研究團隊，對嫦娥五號月壤中的玻璃珠開展了系統(tǒng)的離子探針U-Pb定年研究，通過采用撞擊濺射物數(shù)值模擬等方法，獲得嫦娥五號撞擊玻璃球粒準確的撞擊年齡，并確定了月球上撞擊玻璃球粒的傳輸距離應小于150 千米。通過與撞擊坑頻率年齡對比，研究人員初步確定了產(chǎn)生嫦娥五號撞擊玻璃球粒的源撞擊坑，并對撞擊玻璃球粒的年齡分布與內(nèi)太陽系撞擊體遷移的動力學過程進行了探討。研究發(fā)現(xiàn)月球撞擊通量變化可能與小行星帶動力學過程有關(guān)。
從嫦娥五號月壤中，研究人員獲得了多組撞擊玻璃球粒年齡，并將其與著陸區(qū)撞擊坑關(guān)聯(lián)，證實了月球20億年以來撞擊頻率隨著時間不斷變化。這一成果意味著：地球曾經(jīng)經(jīng)歷過撞擊頻率高于歷史平均水平的時期，這些新發(fā)現(xiàn)為地月系統(tǒng)的撞擊歷史研究提供了新方向。

月球之“水”：
月壤樣品中發(fā)現(xiàn)高含量的太陽風成因水

早期人類通過遙感光譜探測的研究發(fā)現(xiàn)，月球表面的水含量可能與月球維度存在正相關(guān)性關(guān)系，因此相比較降落在低緯度的美國與前蘇聯(lián)探月器，在中緯度采得的嫦娥五號月壤樣品對月球表面水含量、成因和保存機制的研究提供了全新的視野。中科院地質(zhì)與地球物理研究所的胡森研究員、地球化學研究所的李陽副研究員等專家就在會上就月球水和揮發(fā)分含量與來源等問題進行了專題報告。
中國科學院地球化學研究所研究團隊對嫦娥五號月壤樣品中的輝石、橄欖石和斜長石礦物開展研究，分析了不同礦物中水的成因、含量與賦存狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風成因水，估算出太陽風質(zhì)子注入為嫦娥五號月壤貢獻的水含量至少為170 ppm。結(jié)合透射電鏡與能譜分析，揭示了太陽風成因水的形成和保存主要受礦物的暴露時間、晶體結(jié)構(gòu)和成分等影響。
這一研究成果揭示了：月球表面其實并不缺少水，只是不完全以液態(tài)或固態(tài)形式存在，而是以羥基的形式儲存在月球表面，并進一步證實了月表礦物是水的重要“儲庫”，為月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考。
除了上述成果外，本次研討會還重點研討了嫦娥五號樣品月壤成分特征、月球新礦物嫦娥石等重大科學議題，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院通過對樣品進行詳細研究，在十四萬個月壤顆粒里找到了一個可以解結(jié)構(gòu)的嫦娥石顆粒，并用聚焦離子束掃描電鏡把它切割、提取出來。這項發(fā)現(xiàn)增添了礦物家族、特別是地外礦物新成員，推動了礦物學學科的發(fā)展，為月球、行星科學研究提供了新的科學數(shù)據(jù)，具有重大科學意義。
本次研討會的成功舉辦，不僅集中展示了月壤樣品分發(fā)一年多來我國科學界所取得的重大科研成果，有助于加深公眾對我國探月工程深遠意義的理解，同時還為各個科研團隊提供了難能可貴的交流平臺，將對我國月球科學研究的未來發(fā)展產(chǎn)生重要的推動作用。