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3篇嫦娥五号月壤研究登《自然》:月球冷却比之前设想得慢

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澎湃新闻记者 刘航

北京时间10月19日17时,国际顶尖学术期刊《自然》发表了三篇中国嫦娥五号月球样品返回任务的研究结果的论文,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。

三篇论文标题为《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》以及《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。

嫦娥五号月球样品属于玄武岩,是迄今直接测年过的最年轻的月球样品,年龄在20亿年左右。对这些玄武岩的分析揭示了月球组成和水含量如何随时间变化,或有助于我们理解月球的地质和地理化学演化。

2020年12月17日,嫦娥五号将约1.73千克的月球岩石样本带回了地球,距离之前美国阿波罗号和苏联Luna月球探测器带回月球样本已经过去了四十多年。这批样本的采样点在风暴洋东北角的玄武岩区域,是最年轻的月海玄武岩区域之一,形成于火山喷发之后。这些火山岩记录了月球热演化和化学演化的历史。

之前对月球样本进行的放射性同位素测年显示,大部分月球火山活动在约29-28亿年前停止。撞击坑计数定年法是另一种计算行星表面年龄的方法,该方法预测月球可能在30-10亿年前还有火山流,提示火山活动的持续时间可能比之前认为的更久。由于缺少返回样品用于校准,撞击坑计数定年法存在很大的不确定性。

不过,李献华和同事对新样品的分析发现,它们的年龄在20.3亿年,将之前报道的月球火山活动时间又拉长了约8-9亿年,说明月球内部在约20亿年前仍在演化。

李献华和同事估算的玄武岩年龄准确度很高,与最近报道的相同区域内样本的分析结果相比更古老一些(10月7日,刘敦一与Alexander Nemchin在《Nature》上发表的一项研究证明月球在约19.6亿年前仍存在岩浆活动)。

这一结果将月球内部仍在演化的时间从约30亿年前推进至20亿年前。月球玄武岩的最新年龄也被用来更好地校准撞击坑计数定年法的模型,以便对太阳系其他行星表面进行测年。

第二篇论文中,胡森和同事分析了这些玄武岩样本的水含量。月球内部的水分布可揭示引起月幔形成与月球火山活动的过程,还能揭示火山活动到底持续了多久。

此前,根据阿波罗任务以来的分析,一直认为月球是无水的。而过去十年原位分析技术的进步使研究者能对月球样品进行微观尺度的水丰度分析,对其月幔水丰度的估计范围从-0.3μg.g^-1到200μg.g^-1不等,这表明月球内部并不像曾经认为的那样无水。虽然月幔的水丰度估计值的巨大差异可能部分是由于计算中涉及的假设,但关于月球内部水的来源和分布仍存在许多问题, 估计月幔水丰度的变化可能表明地理或时间的多样性

因此,研究来自新地区的年轻玄武岩样本可为月球中水的时空演化提供重要线索。

此项研究发现,嫦娥五号任务带回的年龄在20亿年的玄武岩,其母岩浆的水含量低于来自更古老火山活动区域的样品(40-28亿年前喷发的玄武岩)。作者推断,这些年轻玄武岩的来源在漫长的火山活动中逐渐脱水,这与认为火山活动至少持续至20亿年前的观点一致。

第三篇论文中,杨蔚和同事的研究表明,月球年轻玄武岩来源的产热元素含量似乎比预期的要低。这一结果说明,月球冷却的速度可能比之前想的更慢,而这也会影响月幔动力学。杨蔚和同事的研究结果或为构建新的月球热演化模型打下了基础。

嫦娥五号所采集、形成于20亿年前的玄武岩的起源表明,当时的月球内部比阿波罗采样的大约35亿年前形成的更原始的玄武岩形成时要冷得多。尽管经历了这种相当大的长期冷却,但在20亿年前之前,有一些机制可以防止月幔中的岩浆凝固。一种可能的机制是月球厚的绝缘外层作为热盖,导致冷却速度慢。此外,月球冷却会使岩石圈变厚,从而抑制地表火山喷发。因此,Procellarum KREEP Terrane地区最薄的地壳(通常<30km)可能是促进年轻玄武岩喷发的关键因素。

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