月球一直“活到”了什么时候?这是月球演化历史研究中科学家一直想了解的一个重大科学问题。

一年前,中科院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)的科学家们利用嫦娥五号带回的月球样品,证明月球在距今20亿年前仍喷发过滚烫的岩浆,使已知的月球地质寿命“延长”了8亿到9亿年。

那么,月球是如何“延寿”的?现在该所研究员陈意团队给出了潜在答案。他们通过研究嫦娥五号带回的月壤岩屑发现,月幔在20亿年前比30多亿年前含有更多的钙和钛,导致月幔熔点降低,且月幔经历十几亿年的冷却后,温度仅降低了约80摄氏度,并据此提出新的月球热演化模型。相关成果10月22日发表于《科学进展》。

嫦娥五号玄武岩与阿波罗玄武岩形成示意图。受访者供图

“由子及母”探寻月球保持活力的秘密

与地球类似,月球形成于约45亿年前,但其质量约只有地球的1%。如此小的天体,理论上应该快速冷却而早早停止火山活动,成为死亡星球。但去年10月,对嫦娥五号月壤样品的首批研究,刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知,也提出了新的科学问题——月球如何活到20亿年前?

“就像地球的地幔一样,月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆经火山喷发至月球表面冷却结晶形成的岩石。”陈意向《中国科学报》解释,对于持续冷却的月幔发生部分熔融,国际学者曾提出两种假说:放射性元素生热导致月幔升温、加水降低月幔熔点。

然而,中国科学家对嫦娥五号玄武岩的研究揭示月幔源区并不富含放射性生热元素,且非常“干”,排除了以上两种假说。

月球火山活动为什么能持续如此之久?这成为新一轮月球研究中的未解之谜。

陈意表示,要想破解这一谜团,前提是确立嫦娥五号玄武岩起源的深度和形成的温度,即月幔发生部分熔融时的温度和压力条件。在此基础上,将其与更古老的阿波罗玄武岩进行对比,即可建立全新的月球岩浆-热演化模型。

大多数阿波罗玄武岩形成于距今38亿—31亿年前,由美国阿波罗计划的6次载人登月任务于20世纪六七十年代采集带回地球。

我国嫦娥五号玄武岩从月幔源区喷发至月表过程中,经历了高程度的结晶分离等一系列演化过程,玄武岩成分发生了显著改变,如何准确恢复其初始岩浆的成分,成为限定岩浆起源深度和温度的关键。

“打个比方,嫦娥五号玄武岩就像月球的小儿子,阿波罗玄武岩是月球的大儿子,他们是月球这个母亲在不同年龄阶段生的孩子,两个儿子的元素含量存在差异。”陈意打比方道,“通过这种差异,可以反向推演‘母亲’生它们时的身体状态,也就是月球当时的内部状态。”

嫦娥五号土壤样品平均粒度仅有50微米。粒度越小,意味着其中所含矿物量等信息越少。研究团队建立了若干标准,试图在其中找到颗粒更大、矿物种类更全、矿物分布更均匀的岩屑作为初始成分,反向推演彼时月球内部发生的情况。

最终,他们从600多颗岩屑中选取了27颗具有代表性的岩屑,采用最新研发的扫描电镜能谱定量扫描技术,分析了岩屑的主要成分,结合一系列岩石学和热力学模拟计算,成功恢复了嫦娥五号玄武岩的初始岩浆成分,并与阿波罗低钛玄武岩的初始岩浆进行对比,发现了月球保持活力的两个潜在“秘诀”。

一方面,嫦娥五号玄武岩的初始岩浆比阿波罗玄武岩的初始岩浆含有更高的钙和钛组分,即月幔在20亿年前比30多亿年前含有更多的钙和钛。这部分物质恰恰是月球岩浆洋晚期结晶的产物,且具有易熔的特性,它的加入会显著降低月幔的熔点,诱发月幔部分熔融形成年轻的月球玄武岩。

另一方面,模拟计算结果显示,嫦娥五号玄武岩比阿波罗玄武岩的形成温度更低,即月球内部经历十几亿年的持续冷却,温度仅仅降低了约80摄氏度。

他们据此提出新的月球热演化模型:月球岩浆洋晚期结晶的易熔物质,逐渐加入到了月幔,不仅为月幔“补钙补钛”,而且导致月幔熔点降低,从而克服了缓慢冷却的月球内部环境,引发了长期持续的月球火山作用。

“裹毯子”维持“年轻”与“热度”

月球岩浆洋晚期结晶产物为什么具有更多的钙和钛?十几亿年的冷却,月球内部温度为何仅降低了约80摄氏度?陈意对此进行了深入解读。

今天,从地球看月球,白色的地方是月陆,深色的地方是月海。科学家发现,月陆表面主要为斜长岩,而月海表面主要为玄武岩。这与月球的演化历史有关。

科学家推测,像地球一样,早期的月球上也是一个岩浆洋,随着降温、冷却、结晶过程,月核首先形成,接着不同层次的月幔出现。

“在岩浆洋冷却结晶过程中,富橄榄石的一些物质会在结晶早期沉淀到更深部的月幔中,而密度更轻的斜长石会向上浮动,漂在岩浆洋表面,形成月壳,也就是人们看到的月亮上比较亮的区域。”陈意解释说。

而岩浆洋晚期结晶的主要矿物是单斜辉石和钛铁矿,它们的一个显著特点是钙、钛含量较高,且熔点比较低。这部分物质密度很高,结晶完之后便会下沉,进入到深部月幔和月核的边界。

对于体积更小的月球火山活动持续时间如此之长,国际科学界有一个猜想:月表覆盖的平均厚度达4~5米的月壤,就像一层“厚厚的毯子”,使月球内部热耗散相对较慢。同时,与地球不同,月球没有板块构造,不会把地表的冷物质带到内部,发生物质和能量的交换而给月球“降温”,这也可能是其散热较慢的一个原因。

然而,长久以来,由于缺乏量化对比,人们很难知道月球内部热耗散究竟有多慢。

通过将嫦娥五号玄武岩与阿波罗玄武岩对比,该团队推测,从30多亿年前到大约20亿年前,在月幔相同深度,温度仅下降了约80摄氏度。

期刊论文审稿人指出,这是一项高质量的研究。“这项研究对年轻的嫦娥五号玄武岩可能是如何形成的提供了一种新颖的解释。毫无疑问,自去年月球新年龄被宣布以来,这一直是许多科学家最关心的问题。”

论文审稿人、英国牛津大学地球科学系的Richard Palin说,研究团队的解释得到了岩石学建模和岩石学观察的有力支持。

新机遇 新发展

现在看来,月球的地质生命活动似乎已完全停止。那么,未来是否可能发现比20亿年更年轻的月球火山活动痕迹呢?

在陈意看来,这“完全有可能”,科学研究就是不断推陈出新的过程。

“月球究竟是什么时候真正死亡的,到现在还是个谜。”他说,“目前,我们仅有的确凿证据证明月球在20亿年前还有火山活动,那时候它还是活的。如果将来有更多的样品,就可以建立一个更加完整的、高精度的月球冷却量化曲线,推测出它的地质生命活动轨迹。”

那么,月球最新的岩浆活动证据可能隐藏在哪里?据介绍,当前科学家主要通过撞击坑定年法,推测相关区域的大致形成年龄。“若干年后,我们或许可以采到更年轻的月球样品,了解月球生命最晚期的内部状态。”

陈意认为,月球研究可能有助于解决人们认识地球过去的“瓶颈”问题。

“由于地球板块构造运动抹掉了很多古老的地球历史记录,人们尚不清楚从45亿年前到35亿年前地球到底经历了哪些演化过程。地月系统同根同源,没有板块构造的月球地质历史记录非常完整、丰富,将有助我们了解地球的过去、现在和未来。”他说。

在他看来,嫦娥五号、祝融号等地外行星探测项目正在给中国地球和行星科学研究带来新机遇。最近一年多来,随着月壤样品返回和首批火星探测数据传回地球,国内的行星科研队伍正在迅速扩大。

陈意表示,地外行星探索将为地球科学研究“打开非常大的一扇门”。地质学、地球化学、地球物理、遥感探测,乃至地外生物等地球科学的各个研究领域将得到进一步发展。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/sciadv.abn2103

(原标题《月球是如何“延寿”8亿年的?》)