三篇「中国嫦娥五号月壤研究」论文登刊《自然》，有哪些新的研究结果值得关注？将产生哪些影响？ 第1页

编者按：

这简直是热血漫的剧情。

上世纪70年代，美国曾赠送给中国1g月球样品（实际上阿波罗任务带回来的样品量很大，足足381.7kg），中国的科学家们恨不得将其掰开揉碎细细研究。

时隔四十多年，中国的月球探测器嫦娥五号为全人类带回了迄今为止最新也是最年轻的月球样本。

但这只是开始，只会采样可不够，还要有研究能力。

科学家们紧锣密鼓开展了丰富的研究，誓要在人类月球探测乃至深空探测上留下的浓重的一笔。（誓要以后的内容是编辑脑补的……）

噔噔噔！研究成果相继在国际顶刊发表啦！

三篇论文的情况：

1. 李秋立#，周琴#，刘宇，肖智勇，林杨挺，李金华，马红霞，唐国强，郭顺，唐旭，原江燕，李娇，吴福元，欧阳自远，李春来*，李献华*. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04100-2

链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04100-2

1. 田恒次#，王浩#，陈意#，杨蔚*，周琴，张驰，林红磊，黄超，吴石头，贾丽辉，许蕾，张迪，李晓光，常睿，杨岳衡，谢烈文，张丹萍，张广良，杨赛红，吴福元. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04119-5

链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04119-5

1. 胡森*，何会存，计江龙，林杨挺*，惠鹤九，Mahesh Anand，Romain Tartese，闫艺洪，郝佳龙，李瑞英，谷立新，郭倩，贺怀宇，欧阳自远. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang'E-5. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04107-9

链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04107-9

以下内容来自 @中科院地质地球所 ，由论文作者们亲自撰写，博览受权发布

---------------超长预警，但读了就超值！

一、嫦娥五号样品记录的月球20亿年前岩浆活动（第一篇论文的科普解读）

【中国科学院地质与地球物理研究所和中国科学院国家天文台团队在嫦娥五号返回月球样品研究中的突破性发现】

作者：李秋立，周琴，李春来，李献华

小时不识月，呼作白玉盘。又疑瑶台镜，飞在青云端。

李白用形象的比喻展现了月球的基本性质：月球本身不发光，而是反射太阳光来展示它冷艳而平静的表面。如果将岩浆比喻为星球的血液，那么月球的血液早已凝固，无法维持地质生命的延续。“月球上的岩浆活动是何时停止的”这一科学问题，在最近几十年一直被争论不休且被持续关注。要想深究这个问题，就需要知道月球上最年轻的岩石年龄，以此来确定最后岩浆活动的时间。

从20世纪60年代开始，美国阿波罗（Apollo）计划6次和前苏联月球号（Luna）3次返回月球样品，根据这些样品所确定的岩石年龄都大于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。

月球的地质生命早早就结束了吗？显然还需要更多的月球样品来验证。

嫦娥五号月球采样的重要任务之一正是探索月球最年轻的岩浆活动。

嫦娥五号返回器于2020年12月17日凌晨在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆，时隔44年再次返回月球样品。这是中国科学院地质与地球物理研究所（简称：中科院地质地球所）和中国科学院国家天文台团队通过嫦娥五号探索月球最晚岩浆活动故事开始的地方。

成果1：测定嫦娥五号取回的月球样品年龄只有20亿年左右，比之前人类获得的最年轻样品还要年轻8亿年以上

要确定一块岩石的绝对年龄，最精确的方法是放射性同位素定年。

但在未取得样品之前，根据什么原则选择着陆区才可能获得最年轻的月球样品呢？这就需要先介绍另外一种可以给出启示的方法——撞击坑统计定年法。

让我们再次在脑海里浮现一下那个大大的“白玉盘”，表面并非光洁如镜，而是高低不平的。如果通过天文望远镜去观察，就可以清晰地看到月球表面铺满了大大小小的坑，这是几十亿年以来陨石撞击留下来的。根据所获得月球样品的成分，我们知道月球的岩浆粘度低，可以流动而固化成相对平整的表面，每次陨石的撞击会留下一个坑，日积月累，越老的地方就会留下越多的撞击坑，而年轻的地方则会少。这样一来，撞击坑的大小和多少就可以和年龄挂钩，成为一种可以估计区域岩石年龄的方法，称之为撞击坑统计定年法。

这种方法是基于美国阿波罗和苏联月球号返回样品的年龄和着陆区撞击坑统计而发展起来的，这对于其它还没有返回过样品的内太阳系星球表面的定年是非常重要甚至唯一的手段。

但这种方法定年的结果到底精确度如何呢？这就要靠新的返回样品来验证了。

嫦娥五号着陆区的选择基于三个方面的考虑：一是撞击坑密度最低的地方，预期岩石最为年轻；二是通过遥感数据获得的岩石成分推测最容易产生岩浆的地方；三是要远离阿波罗和月球号着陆区，以免获得重复信息。

嫦娥五号着陆区最终选择在一个被称为风暴洋克里普地体的P58区域（上图）。

风暴洋是月球上最大的月海，位于月球西半球，也就是我们常提到的“蟾宫”。

P58区域是根据撞击坑统计定年所给的年龄顺序中排位第58号，基本上是预期最年轻的地方。

克里普是KREEP音译而来，这个词是钾元素（K）、稀土元素（REE）和磷元素（P）的首字母缩写。这几种元素在地球化学上归属为“不相容元素”，就是不喜欢进入到固体中的元素。这样一来，在一个岩浆洋或岩浆房中，经过大量矿物的结晶后，最后残余的部分就会特别富集克里普组分，同时富集铀、钍、铷等不相容且具放射性的元素，这些元素在衰变转换成其他元素时会产生热量。因此，富集这些元素的物质即使冷却成固体，经过长时间的积累放射性生热也可能再次熔融。综合分析，这个地区坑少，生热元素多，理论上可以是年轻的。

不同研究者对着陆区划分了不同大小的区域，通过撞击坑统计定年法来推测年龄，却有12亿到30亿年不等，虽然误差很大，但总体显示极有可能是月球最年轻的区域，确切的年龄亟待返回样品通过放射性同位素定年方法来确定。

放射性同位素定年方法是基于一种元素（母体）衰变成另外一种元素（子体）的过程具有固定不变的衰变常数，通过测量母体和子体元素含量和同位素比值就可以计算出岩石是多长时间以前形成的。因为这些岩石的年龄多以亿年为单位来衡量，这就需要一个衰变速率较慢且不容易受后期事件改变的同位素体系。经过长时间的检验，最好用的是铀（U）衰变到铅（Pb）的体系。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，已经将分析条件优化到国际领先水平。怀揣着激动的心，控制住颤抖的手将样品放入质谱计中，一个测试数据完成大约要10分钟时间，这个过程是激动人心的，是手心都冒汗的焦灼和热切。

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，我们需要更多严谨的分析，来确认这一可能震惊整个科学界的数据结果。

我们尽可能多的分析各种不同结构的岩屑，最终统计了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，我们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（下图）。

一个矿物颗粒接着一个矿物颗粒，一种岩石类型接着一种岩石类型，我们都得到了误差范围内相同的结果。

最终我们统计了所有分析结果，给出了精确的年龄20.30±0.04亿年。

这个年龄比之前获得的最年轻月球样品还要年轻8亿年以上，可以说嫦娥五号探索任务非常成功，所取得的月球样品带来了全新的月球演化认知。

成果2：对月球的演化过程提出了全新的科学问题—岩浆究竟是如何形成的？

我们的工作不仅得到了年龄，而且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，但返回样品实实在在地告诉我们，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。

这样，之前猜想是因为源区富集克里普组分才会经历长时间的热量积累来产生岩浆，而我们的结果证明了这个成因假说对于嫦娥五号着陆区仅仅是个“假说”。

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。

下一步工作需要更深入考虑放射性生热元素的贡献，虽然我们证明了岩浆直接来源的地方没有富集生热元素，但是否可能源区周边有很多，且只提供了热而没有提供物质呢？这个因素如果排除，那么就需要再去探讨其它的岩浆成因机制了，这为全世界科学家指出了新的研究方向。

成果3：为撞击坑统计定年方法提供了关键锚点，提高该方法精确度，对星体表面定年帮助很大

回头我们再来看看撞击坑统计定年方法。

之前不同研究者对该区域统计的年龄范围如此之广，最主要的原因是根据已有样品建立的撞击坑统计定年曲线上的限定点并不多，尤其是10亿到30亿之间完全是空白（下图）。

本次嫦娥五号样品的精确年龄为这条定年曲线在20亿年提供了一个关键锚点，可以极大地提高撞击坑统计定年方法的精确度，这不仅对月球其它地方定年很重要，对于内太阳系其它星体表面的定年同样适用。

二、“失踪”的克里普——嫦娥五号月海玄武岩成因（第二篇论文科普解读）

作者：田恒次 等

你可能从未听说过克里普，但是它却是月球科学家关注的焦点之一。

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

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（下图）。

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。

尽管如此，长期以来，克里普组分仍被认为是月球火山活动持续亿万年之久的原因。毕竟月球质量只有地球的1%，理论上，早就应该完全固化了。

一个流行的假说是，克里普富含的放射性元素，如：铀（U），钍（Th），钾（K），为月球持续的火山活动提供热源。

这一假说得到了遥感探测的支持，月球最年轻的玄武岩，火山活动的产物，主要填充在月球正面一个叫风暴洋克里普地体的地方，它因富集钍（Th），被认为很可能富含克里普组分而得名（下图）。这种最年轻的火山与钍（Th）的相关性似乎暗示，克里普组分中的放射性元素生热是维持月球长时间火山活动的主要因素。

但是，这个假说从未被年轻玄武岩样品证实，无论是美国阿波罗计划、苏联月球号，还是月球陨石，都没有收集到月球最年轻的玄武岩。

为此，我国的嫦娥五号选择去月球最年轻的地方，试图揭秘，克里普到底对月球最年轻火山活动有什么贡献？

带着这样的问题，我们开始了嫦娥五号月球样品的研究。

要想鉴别岩浆中是否含有克里普组分，我们首先要知道克里普的特征。

尽管克里普因富含K、REE、P等不相容元素而得名，但是，玄武岩岩浆富含不相容元素，并非都是因为其起源于一个富含克里普的月幔。

一个原本不含克里普的岩浆，在经过大量矿物结晶的高程度演化之后，剩下的岩浆也会变得富含不相容元素。

这就是我们面临的问题。

在研究了嫦娥五号玄武岩的矿物和化学成分之后，我们发现它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（下图）。

但是，如前所述，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。

而且，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（下图）。

于是，我们不得不使用同位素，如：锶（Sr）、钕（Nd）、铅（Pb）等，同位素是识别克里普组分更有效的方式，它们就像是岩石的DNA，不会随后来的岩浆演化而变化。

但是，难点在于，嫦娥五号月壤中的玄武岩颗粒都异常微细，要想获得嫦娥五号玄武岩的同位素比值并非易事。

在这方面，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有着十几年的技术积累。

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）同位素的结果出乎了我们的预料：

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（下图）。

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？

我们后续的研究将继续尝试回答这一月球科学之谜。

三、嫦娥五号玄武岩揭示了一个很“干”的月幔（第三篇论文科普解读）

作者：胡森 等

月球表面没有流水，那内部有水吗？

水是生命之源，是行星宜居的标志。因此，行星是否有水是太阳系与系外生命探测的首要目标。

我们所熟悉的水（ ），它在1个大气压强下，100℃时会变成水蒸汽，在0℃时会结成冰块。

更广义上的水，还包括含水矿物中的氢氧根（OH）等结构水、以及其他形式的氢（H）。这类型的水可以很稳定存在于矿物中，只有加热到很高的温度，甚至熔融时，才以水分子的形式被释放出来。

这些水在地质过程中扮演着重要的角色，它能显著降低岩石的熔化温度，改变岩石的强度等，在很大程度上影响了地球的内部运动。

一个冷知识：地球表面的流水并不是与生俱来，而是通过岩浆活动和火山喷发，不断将地球内部的结构水搬运到表面，并形成液态水，最终汇聚成海洋。

而通过对月球的科学探测，包括6次阿波罗计划和3次月球号的采样返回任务、后续月球环绕探测、以及我国嫦娥工程在月球正面和背面的着陆巡视探测，我们知道，月球表面不仅没有生物，也没有大气，更没有流水。

那么，月球内部呢？有水吗？

月球的形成有捕获说、分裂说、同源说、以及大撞击等假说。其中，大撞击假说得到了月球样品分析和月球探测的支持，成为主流假说。

根据大撞击起源假说，原始地球与一个火星大小的星子碰撞，形成了一个围绕地球的、由高温岩浆和气体组成的盘。当温度开始冷却时，硅酸盐等物质首先聚集形成月球（上图），而水属于强挥发的物质，会以气态形式向太空逃逸而丢失。

因此，这种方式诞生的月球，几乎不含水，是一个近乎干透了的星球。

但是，情况在2008年发生了变化。

科学家们利用一种微束分析技术来研究阿波罗任务采集的火山玻璃。

他们用微米（千分之一毫米）大小的离子束轰击样品的表面，测量产生的氢离子（ ）信号。因为每个水分子（ ）含有2个氢原子和1个氧原子，所以根据测定的氢含量，就能换算成水的含量。

根据新的分析结果，他们估算出岩浆中的水含量高达745微克/克，这是一个相当高的值，证明月球并不贫水 (Saal et al.，2008，Nature)。

此后，对更多月球样品的水含量分析，不同的团队给出非常不同的结果，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。

同时，月球内部水含量不仅是验证月球大碰撞假说的关键证据，而且对月幔的熔融和岩浆的结晶有重要影响。

造成月球内部水含量长期争议的原因之一，是阿波罗样品和月球陨石的年龄都很老（超过30亿年），样品经历了长期和强烈的后期改造（如小行星和彗星的撞击、太阳风的注入等），撞击使不同来源的样品混杂在一起，造成分析结果很难解释，甚至出现错误解释。

嫦娥五号采集并返回了最年轻的玄武岩，样品来源单一、地质背景清晰，从而为回答月球内部的“干”与“湿”提供了最好的机会。

同时，对于嫦娥五号样品，我们还很想知道，这个区域的岩浆活动为什么能持续这么久？

相比于阿波罗样品，嫦娥五号玄武岩的年龄非常年轻，仅有20亿年（Che et al.，2021，Science；Li et al.，2021，Nature）。岩浆活动的持续，除了喷出的触发条件之外，或是因为内部有高含量的放射性生热元素（U, Th），造成异常的高温，从而导致熔融？或是因为内部的水含量高，从而降低了源区物质的熔点，导致熔融？

但是，对嫦娥五号样品的铅、锶、钕同位素（Li et al.，2021，Nature；Tian et al.，2021，Nature）的分析，排除了嫦娥五号样品源区有高含量放射性元素的可能性。

我们的研究目标是通过对嫦娥五号样品的分析，回答其源区是否富含水。

嫦娥五号给出的答案：嫦娥五号玄武岩的月幔源区非常“干”

我们借用高空间分辨的纳米离子探针来分析嫦娥五号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，它们都非常微小，小的仅有几微米（下图）。

上图（a）合金靶中的玄武岩岩屑（颗粒号406-010，023）的全貌图，该岩屑主要由橄榄石（Ol）、辉石（Px）、长石（Pl）和钛铁矿（Ilm）组成，可见少量铁橄榄石（Fa）、陨硫铁（Tro）、尖晶石（Sp）、磷灰石（Apa）和石英（Q）。

上图（b）（c）和（d）分别为该岩屑的局部图。（b）图可见被钛铁矿包裹的熔体包裹体（MI）。（c）和（d）显示磷灰石主要产出于粒间区域，呈自形或半自形

除了分析样品的水含量之外，我们还分析水的氢同位素组成，即氘/氢比值，氢同位素组成相当于水的“指纹”，可用来识别水的来源、示踪岩浆的喷发和结晶过程。

包裹体是矿物在岩浆结晶过程中捕获的岩浆样品。不同包裹体实际上代表了岩浆在整个上升和结晶过程不同阶段采集的样本。通过对这些包裹体的分析，可以勾画出水在岩浆结晶过程中的演变。

图片说明：大部分熔体包裹体的水含量和氢同位素组成具有明显的负相关，指示岩浆去气过程。磷灰石明显富集重的氢同位素，经历过强烈的去气，与其晚期结晶的岩相特征相符。嫦娥五号玄武岩的熔体包裹体和磷灰石水含量和氢同位素的相关性，记录了岩浆产生到最后固化不同阶段的演化过程。该过程可以划分为三个阶段，阶段1：月幔部分熔融形成嫦娥五号的岩浆；阶段2：岩浆侵入或溢流，被钛铁矿捕获；阶段3：岩浆溢流到月表后发生强烈的去气丢失导致氢同位素分馏，最后形成磷灰石，岩浆完全固化成岩。

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，由于轻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（上图）。

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”。

玄武岩浆刚形成时含有一些水，但随着它在上升、最后喷出月表的过程中，由于压力降低（甚至真空）和高温，水会不断蒸发而丢失，最终冷却后的岩石几乎完全去气脱水。

另外，这些磷灰石都分布在玄武岩中主要矿物（辉石、长石、钛铁矿、橄榄石）粒间，说明它们是最晚从岩浆中结晶出来的，记录了岩浆喷发结晶最后阶段的水及其同位素组成。

分析结果表明：

这些磷灰石的水具有最高的氘/氢比值，指示了岩浆在上升喷出过程中，水以氢气的形式不断丢失，造成了残留在岩浆中的水具有重的氢同位素组成（上图）。

最早被捕获在矿物中的岩浆包裹体（氘/氢比值最低），代表了最原始的岩浆，其水含量约为280微克/克。

另外，根据嫦娥五号玄武岩的全岩水含量（假设主要存在于磷灰石），并基于岩浆去气脱水过程中氢同位素变重的程度，校正全部丢失的水后，也可估算原始岩浆的水含量，结果与岩浆包裹体的测定值一致。

需要特别指出的是，这里给出的280微克/克水含量，是原始岩浆的水含量，不是嫦娥五号月幔源区的水含量。

我们知道，月海玄武岩是月幔部分熔融结晶形成的。岩石受热发生部分熔融时，一些元素和组分偏向于进入岩浆中（称为不相容元素），而另一些更多地留在岩石中（称为相容元素）。水在岩石熔融中的行为跟不相容元素一样，更倾向进入岩浆中。

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（Tian et al.，2021，Nature）。

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（上图）。

对于这一结果，存在两种解释：

一种可能性是嫦娥五号着陆区的月幔经过了更长时间的岩浆活动，月球内部的水通过多次的岩石熔融，进入到岩浆中，然后随着岩浆喷出月表，释放到太空而丢失；另一种可能性是月幔的水含量非常不均一，但需要有新的机制来解释这种差异。

我们的研究还确证，月球火山活动持续异常长，不是月幔水含量高而导致熔点降低造成的，这些新发现与此前对月球的认识有很大不同。

嫦娥五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。

“可怜今夕月，向何处，去悠悠？是别有人间，那边才见，光影东头？”

南宋词人辛弃疾一首具有浪漫主义特色的词篇契合此情此景。

阿波罗和月球号返回的月球样品已经研究了半个世纪以上，人们对月球演化认知水平增长越来越缓慢，甚至停滞不前。没有新的样品，缺乏新的认知，不知路在何方之际，嫦娥五号返回样品所带来的最年轻样品及其特征一石激起千层浪，可以预见，新一轮月球研究热潮正在兴起，将吸引更多的科学家加入到研究团队中来。

中国的深空探测正大步走在前进的道路上，期待着广大青少年加入到探索星空的队伍中来，上九天揽月，去太空翱翔！

转载请联系“中科院地质地球所”公号～

先说结论：

一，月球 19.63±0.57 — 20.30±0.04 亿年前仍存在玄武质岩浆活动。

二，“克里普岩”可能既不是岩浆洋晚期残余岩浆成因，又不是U、Th等生热元素富集导致的重熔成因。

三，月幔中既没有放射性生热元素富集，又没有大量水的赋存。

以下内容转自《文汇报》2021-10-19 17:05:12发布的新闻，可供参考。局部内容因解释术语、补充信息而有改动。 原文作者：许琦敏。

10月19日下午，国际学术期刊《自然》同时在线发表了这三篇来自中国科学院地质与地球物理研究所的研究成果。研究证明，嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩，填补了美国和苏联月球采样任务的“空白”——选择了吕姆克山这一由撞击坑统计定年约束的最年轻玄武岩单元采样。

三篇论文的作者、主题内容情况：

第一篇的主题是嫦娥五号玄武岩样品约束月球表面约2Ga的火山活动。

李秋立#，周琴#，刘宇，肖智勇，林杨挺，李金华，马红霞，唐国强，郭顺，唐旭，原江燕，李娇，吴福元，欧阳自远，李春来*，李献华*. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04100-2

链接：

第二篇论文主题是风暴洋克里普地体中采集的嫦娥五号玄武岩样品具有非克里普质源区。

田恒次#，王浩#，陈意#，杨蔚*，周琴，张驰，林红磊，黄超，吴石头，贾丽辉，许蕾，张迪，李晓光，常睿，杨岳衡，谢烈文，张丹萍，张广良，杨赛红，吴福元. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04119-5

链接：

第三篇论文主题是年轻月海玄武岩的干燥月幔源区。所谓“干燥”，指的是岩浆挥发分贫水，并且缺少角闪石、金云母等含水矿物。

胡森*，何会存，计江龙，林杨挺*，惠鹤九，Mahesh Anand，Romain Tartese，闫艺洪，郝佳龙，李瑞英，谷立新，郭倩，贺怀宇，欧阳自远. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang'E-5. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04107-9

链接：

根据研究团队分别针对嫦娥五号月球样品年龄、源区性质和水含量三个主要科学问题的研究发现，就在约19.6-20.3亿年前，月球岩浆活动与火山机构还“活着”，喷发过炽热的岩浆，比此前根据Apollo、Luna样品和月球陨石样品约束的28至30亿年的“最晚结晶年龄”推迟了整整8至10亿年。

然而，与科学家之前的猜测不同，月幔中既没有放射性生热元素富集，又没有大量水的赋存，这些新发现使科学家们又遇到了新课题——究竟是什么使月球岩浆活动持续“活”到了至少20亿年前？

以小时计速，7天完成月壤实验。

2020年12月17日，嫦娥五号样品舱成功着陆在我国内蒙古四子王旗，带回了1731克月球样品。这是我国首次完成地外天体样品采集，也是时隔44年，人类再次从月球采回样品。

2021年7月12日，第一批嫦娥五号月球科研样品正式发放。当中国科学院的科学家接到样品后，立刻投入到紧张的研究工作中。

就在12日当天下午，他们就投入实验，仅用20多小时就完成了样品的初步鉴定和分选。7天内完成样品的年龄、矿物、元素和同位素分析，16天完成样品年代学以及月幔地球化学特征和水含量研究论文，并投稿到《自然》编辑部——三篇论文在线发表，总共只用了100天！

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“在月壤样品到来之前，我们已经把所有的技术环节都演练过了。”地质地球所嫦娥五号样品研究组骨干、该所研究员杨蔚说，研究组48名科研人员平均年龄仅39岁，几乎从未接触过月球研究，但每个人都各尽所能，不眠不休地展开研究。

从样品中选取需要的岩石碎片（也叫岩屑），是研究人员遇到的第一关。“这些碎片与地球岩石差别较大，我们第一次在显微镜挑选时，也不太确定。”杨蔚说，他们把部分碎片放在电镜下鉴定之后，再去样品中挑选。

由于“选材”精准，在分到的3克样品中，他们只损耗了150毫克，剩余的已经归还给中科院探月工程地面应用中心，供别的研究团队继续研究。

就在这100天里，中国科学家获得了嫦娥五号着陆区岩浆年龄、源区性质的新认识。

精确测定：20亿年前月球还“活着”。

嫦娥五号在月球上的着陆点位于风暴洋西北处吕姆克山附近，远离“阿波罗”和“月球号”采样点，那里有着月球最年轻的月海玄武岩。

行星是有“生命”的，其标志就是岩浆活动。一旦岩浆活动停止，就意味着行星的“死亡”。来自美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究已证实，月球上的岩浆活动至少持续到大约28至30亿年前，古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了所见的“月海”。

但是，对于月球岩浆活动停止的确切时间，科学界一直存在争议。尤其是嫦娥五号采集带回的月海玄武岩，科学家预测其年龄在距今10亿年至30亿年间。

为何精确确定这些岩石的年龄如此困难？地质地球所嫦娥五号样品研究组负责人、中科院院士李献华解释，过去，科学家以统计撞击坑数量来大致判定岩石年龄——被小天体撞出的坑越多，岩石就越古老。可真要精确定年，还需要高分辨率的矿物分析设备。

“这些岩屑含铁高、含镁低，结构各不相同，但都来自于同一次玄武岩喷发事件。”李献华说，在观察了100多个岩屑后，他们从中挑选了50多个具有代表性的样本。

由于样品岩屑90%以上都只有3至5微米大小，得益于地质地球所耗费十多年发展起来的、测定精度高达3微米的超高空间分辨率铀-铅定年技术，研究团队顺利确定出，玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年，证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。

这说明，月球直到20亿年前仍存在岩浆活动，比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。这一年代的精确测定数据，还为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点，将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。

新课题浮现：月球何以维持长时间岩浆活动？

那么，月球这8亿年的“寿命”是如何维持延续的？

月球最晚期岩浆活动的成因一直是行星科学的未解之谜。目前，科学家认为存在两种可能解释：其一是月球岩浆源区富含生热元素以提供热源，其二是该区域富含水以降低熔点。

围绕这两种可能性，地质地球所与国家天文台团队对嫦娥五号月壤样品中的玄武岩岩屑进行了年代学和岩石地球化学研究。结果却令他们大为意外。

利用地质地球所研发的超高空间分辨率同位素分析技术，研究团队发现，嫦娥五号玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”——这几种元素在地球化学上被称为“不相容元素”，意为不容易进入到固体中的元素。

嫦娥五号样品富集克里普物质的特征，是在岩浆后期形成的，因此排除其月幔源区富含放射性生热元素的主流假说，从而揭示了月球晚期岩浆活动过程。

而且，他们还发现，嫦娥五号玄武岩的岩浆源区并不富含水，其月幔源区岩石的水含量仅为1-5ppm，即每克岩石含水仅为1-5微克，可以说月幔非常“干”。科研人员指出，这一发现也排除了“月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点，导致该区域长时间岩浆活动”的猜想。

“这就需要科学家通过更多研究，去给出月球演化的新解释。”李献华说，嫦娥五号样品研究的第一批成果，恰恰推开了一扇新的科学之门。

“嫦娥”将写续篇，补全月球演化历史。

通过嫦娥五号带回样品的研究，人类终于对月球“死亡”前的历史，有了更加清晰的认识。然而，月球最初是怎样形成的，还是一个谜团。在欧阳自远看来，把这一头一尾两段月球演化史补全，中国科学家会做出独到的贡献。

他透露，“嫦娥工程”后续任务，将可能飞到月球背面最古老的岩层，将样本带回地球。“嫦娥四号在月球背面着陆，仅在月面进行探测，并未带回样品，嫦娥六号将可能实现这个愿望”。

据悉，中国科学院正在积极推动月球样本研究的国际合作，目前中科院与法国科研中心在月球样本合作研究方面已达成初步共识。

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