3篇嫦娥五號月壤研究登《自然》:月球冷卻比之前設想得慢

澎湃新聞記者 劉航

2021-10-19 17:00 來源:澎湃新聞

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北京時間10月19日17時,國際頂尖學術期刊《自然》發表了三篇中國嫦娥五號月球樣品返回任務的研究結果的論文,為月球熱演化和化學演化提供了新知:月球內部在約20億年前仍在演化,月球冷卻的速度可能比之前想的更慢。
三篇論文標題為《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》,通訊作者分別為中國科學院地質與地球物理研究所研究員李獻華、副研究員胡森以及研究員楊蔚。嫦娥五號月球樣品屬于玄武巖,是迄今直接測年過的最年輕的月球樣品,年齡在20億年左右。對這些玄武巖的分析揭示了月球組成和水含量如何隨時間變化,或有助于我們理解月球的地質和地理化學演化。
2020年12月17日,嫦娥五號將約1.73千克的月球巖石樣本帶回了地球,距離之前美國阿波羅號和蘇聯Luna月球探測器帶回月球樣本已經過去了四十多年。這批樣本的采樣點在風暴洋東北角的玄武巖區域,是最年輕的月海玄武巖區域之一,形成于火山噴發之后。這些火山巖記錄了月球熱演化和化學演化的歷史。
之前對月球樣本進行的放射性同位素測年顯示,大部分月球火山活動在約29-28億年前停止。撞擊坑計數定年法是另一種計算行星表面年齡的方法,該方法預測月球可能在30-10億年前還有火山流,提示火山活動的持續時間可能比之前認為的更久。由于缺少返回樣品用于校準,撞擊坑計數定年法存在很大的不確定性。
不過,李獻華和同事對新樣品的分析發現,它們的年齡在20.3億年,將之前報道的月球火山活動時間又拉長了約8-9億年,說明月球內部在約20億年前仍在演化。
李獻華和同事估算的玄武巖年齡準確度很高,與最近報道的相同區域內樣本的分析結果相比更古老一些(10月7日,劉敦一與Alexander Nemchin在《Nature》上發表的一項研究證明月球在約19.6億年前仍存在巖漿活動)。
這一結果將月球內部仍在演化的時間從約30億年前推進至20億年前。月球玄武巖的最新年齡也被用來更好地校準撞擊坑計數定年法的模型,以便對太陽系其他行星表面進行測年。
第二篇論文中,胡森和同事分析了這些玄武巖樣本的水含量。月球內部的水分布可揭示引起月幔形成與月球火山活動的過程,還能揭示火山活動到底持續了多久。
此前,根據阿波羅任務以來的分析,一直認為月球是無水的。而過去十年原位分析技術的進步使研究者能對月球樣品進行微觀尺度的水豐度分析,對其月幔水豐度的估計范圍從-0.3μg.g^-1到200μg.g^-1不等,這表明月球內部并不像曾經認為的那樣無水。雖然月幔的水豐度估計值的巨大差異可能部分是由于計算中涉及的假設,但關于月球內部水的來源和分布仍存在許多問題, 估計月幔水豐度的變化可能表明地理或時間的多樣性。
因此,研究來自新地區的年輕玄武巖樣本可為月球中水的時空演化提供重要線索。
此項研究發現,嫦娥五號任務帶回的年齡在20億年的玄武巖,其母巖漿的水含量低于來自更古老火山活動區域的樣品(40-28億年前噴發的玄武巖)。作者推斷,這些年輕玄武巖的來源在漫長的火山活動中逐漸脫水,這與認為火山活動至少持續至20億年前的觀點一致。
第三篇論文中,楊蔚和同事的研究表明,月球年輕玄武巖來源的產熱元素含量似乎比預期的要低。這一結果說明,月球冷卻的速度可能比之前想的更慢,而這也會影響月幔動力學。楊蔚和同事的研究結果或為構建新的月球熱演化模型打下了基礎。
嫦娥五號所采集、形成于20億年前的玄武巖的起源表明,當時的月球內部比阿波羅采樣的大約35億年前形成的更原始的玄武巖形成時要冷得多。盡管經歷了這種相當大的長期冷卻,但在 20 億年前之前,有一些機制可以防止月幔中的巖漿凝固。一種可能的機制是月球厚的絕緣外層作為熱蓋,導致冷卻速度慢。此外,月球冷卻會使巖石圈變厚,從而抑制地表火山噴發。因此,Procellarum KREEP Terrane地區最薄的地殼(通常<30km)可能是促進年輕玄武巖噴發的關鍵因素。
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責任編輯:李躍群
校對:欒夢
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關鍵詞 >> 嫦娥五號,月壤,自然

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