嫦娥五號月壤揭示月球年輕火山成因之謎

這是月球不同時(shí)期巖漿及熱演化示意圖（2022年10月20日繪制）。新華社發(fā)（中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所供圖）

中國科學(xué)家根據(jù)對嫦娥五號月壤的研究提出了新的月球熱演化模型，揭開了困擾學(xué)術(shù)界的一大謎團(tuán)：為何月球在距今20億年前依然有火山活動。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員陳意介紹，月球形成于約45億年前，質(zhì)量只有地球的約1%，對于如此小的天體來講，理論上它應(yīng)該快速冷卻，很早就停止火山活動，成為“死亡”星球。

嫦娥五號月壤樣品的返回，引發(fā)了新一輪的月球研究熱潮。2021年10月中國科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了三篇文章，揭示了月球火山活動可以一直持續(xù)到20億年前，刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認(rèn)知。

專家介紹，月球玄武巖是月幔（相當(dāng)于地球的地幔）部分熔融形成的巖漿經(jīng)火山噴發(fā)至月球表面冷卻結(jié)晶形成的巖石。國際學(xué)者對持續(xù)冷卻的月幔發(fā)生部分熔融曾提出兩種假說：一是放射性元素生熱導(dǎo)致月幔升溫；另一假說是如果水含量高，會降低月幔熔點(diǎn)。

然而中國科學(xué)家對嫦娥五號玄武巖的研究揭示月幔源區(qū)并不富含放射性生熱元素，且非常“干”，排除了以上兩種假說。因此，月球火山活動為什么持續(xù)如此之久，成為新一輪月球研究中的未解之謎。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所掃描電鏡與電子探針實(shí)驗(yàn)室工程師原江燕在分析嫦娥五號月壤成分（2022年10月14日攝）。新華社發(fā)（中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所供圖）

針對這一問題，陳意率領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)選取了27顆具有代表性的嫦娥五號玄武巖巖屑，采用了最新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術(shù)分析了巖屑的全巖主要成分，結(jié)合一系列巖石學(xué)和熱力學(xué)模擬計(jì)算，成功恢復(fù)了嫦娥五號玄武巖的初始巖漿成分，并與阿波羅樣品的初始巖漿進(jìn)行對比，推算出它們的起源深度和溫度。

研究發(fā)現(xiàn)，與阿波羅樣品相比，年輕的嫦娥五號玄武巖的初始巖漿含有更多的鈣和鈦，這表明嫦娥五號玄武巖的月幔源區(qū)有更多的富鈣富鈦物質(zhì)的加入。這部分物質(zhì)恰恰是月球巖漿洋晚期結(jié)晶的產(chǎn)物，且具有易熔的特性，它的加入會顯著降低月幔的熔點(diǎn)，誘發(fā)月幔部分熔融形成年輕的月球玄武巖。進(jìn)一步的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，月球內(nèi)部經(jīng)歷十幾億年的持續(xù)冷卻，溫度僅僅降低了約80攝氏度。

陳意說，該項(xiàng)研究表明，盡管月球內(nèi)部在持續(xù)緩慢冷卻，月球巖漿洋晚期結(jié)晶的易熔組分不斷加入到深部月幔，不僅為月幔“補(bǔ)鈣補(bǔ)鈦”，還降低了月幔的熔點(diǎn)，從而克服了緩慢冷卻的月球內(nèi)部環(huán)境，引發(fā)長期持續(xù)的月球火山作用。

該項(xiàng)成果在最新一期美國《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表。（記者劉藝煒、喻菲）