井喷!嫦娥五号喜提4篇Science/Nature

2021-10-20 756

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2021年10月19日,中国科学院发布了嫦娥五号月球科研样品最新研究成果。中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)和国家天文台主导,联合多家研究机构通过3篇Nature论文和1篇National Science Review论文,报道了围绕月球演化重要科学问题取得的突破性进展。


其中,3篇Nature论文于北京时间2021年10月19日17点同期上线。研究证明,嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩,对着陆区岩浆年龄、源区性质给出全新的认识,月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年,其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素,并且月幔源区几乎没有水:


2021年10月19日,中国科学院地质与地球物理研究所李献华及中国科学院国家天文台李春来共同通讯在Nature在线发表题为“Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts”的研究论文,该研究利用超高空间分辨率铀-铅(U-Pb)定年技术,对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物进行分析,确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。也就是说,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。


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另外,月球内部水的分布对月球的起源、月球岩浆海洋的结晶和月球火山活动的持续时间具有影响。嫦娥五号 (CE5) 从 Procellarum KREEP Terrane (PKT) 西北部带回了年代为 20 亿年前 (Ga)的最年轻的玄武岩样本,提供了对月球水时空演化的探索。


2021年10月19日,中国科学院地球与行星物理院重点实验室胡森及林杨挺共同通讯在Nature在线发表题为“A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5”的研究论文,该研究报告了来自嫦娥五号带回的玄武岩的磷灰石和钛铁矿熔体包裹体的水丰度和氢同位素组成。


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该研究推导出母岩浆的最大水丰度为 283 ± 22 μg.g-1,δD 值为 -330 ± 190‰。考虑到耗尽地幔的低度部分熔化,随后是广泛的岩浆分馏,该研究估计最大地幔水丰度为 1-5 μg.g-1,这表明月球最年轻的火山活动不是由其地幔中丰富的水驱动的来源。也就是说月幔非常的“干”,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,导致该区域岩浆活动持续时间异常延长的猜想。


在月球历史的大部分时间里,月球上的火山是热化学演化的关键记录。年轻的玄武岩主要分布在海洋中富含钾、稀土元素和磷 (KREEP) 的区域,称为 Procellarum KREEP 地层 (PKT),被认为是由富含 KREEP 的源在深处形成的。然而,这一假设从未用来自 PKT 的年轻玄武岩进行过测试。


2021年10月19日,中国科学院地质与地球物理研究所杨蔚团队在Nature在线发表题为“Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane”的研究论文,该研究介绍了嫦娥五号任务返回的 PKT 玄武岩碎屑的岩石学和地球化学研究。


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这些 20 亿年前的玄武岩是迄今为止发现的最年轻的月球样本。大块岩石成分具有中等 TiO2、高 FeO 和类似 KREEP 的稀土元素 (REE) 和 Th 浓度。然而,Sr-Nd 同位素均表明这些玄武岩来自非 KREEP 地幔源。为了产生高丰度的稀土元素和钍,需要低度的部分熔化和广泛的分步结晶。该研究结果表明 KREEP可能不是年轻火山活动的先决条件。


2021年10月14日,中国科学院国家天文台李春来,中国空间技术研究院杨孟飞及月球探测与空间工程中心Hu Hao共同通讯在National Science Review 在线发表题为“Characteristics of the lunar samples returned by Chang’E-5 mission ”的研究论文,该研究对嫦娥5号月球样品开展的基础物性、岩相学、矿物学、化学成分等方面的综合分析与研究结果。这些结果建立了嫦娥5号月球样品基本特性的框架,证明嫦娥5号月球样品为一类新的月海玄武岩。


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2021年10月7日,中国地质科学院地质研究所刘敦一及Alexander Nemchin(车晓超博士是第一作者)共同通讯在Science在线发表题为“Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5”的研究论文,该研究测量了这些熔岩的年龄为 1963 ± 57 Ma(19.6亿年),并确定了它们的化学和矿物组成。


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没有证据表明在产生这些熔岩的月球深部地幔中存在高浓度的发热元素,因此需要对月球岩浆活动的做出其他解释。总之,该研究证明月球在19.6亿年前仍存在岩浆活动,使目前已知的月球地质寿命“延长”了10亿年,为完善月球演化历史提供了关键科学证据。


月球的岩浆作用在何时停止,即月球在地质意义上何时死亡,一直是月球演化历史研究中的重大科学问题之一。自美国和苏联分别执行“阿波罗(Apollo)”和“月球(Luna)”月球探测任务以来,在对这些样品进行长达52年的科学研究后,人类对月球的地质演化历史有了更清晰的认识,但这个问题仍未得到解决。此前关于月球样品的研究成果也并未发现月球存在晚于29亿年的岩浆活动。


此次嫦娥五号采样位置设计在了月表最年轻的月海玄武岩区域,所采集的样品应含有年轻的月球玄武岩,全世界科学家都满怀希望,盼望着从嫦娥五号样品研究中获得更年轻的岩浆事件结果,以完善月球岩浆演化历史。


月球的 Oceanus Procellarum 区域的特点是钾、钍和铀的浓度很高,这些元素通过长寿命的放射性衰变产生热量,并且可能在月球的近侧持续了长时间的岩浆活动。嫦娥五号飞船在这个区域降落在北纬 43.06 度、西经 51.92 度、吕姆克山 ENE 约 170 公里处,该地区被选中是因为它有望容纳月球上最年轻的玄武岩熔岩。


轨道数据表明,着陆点周围暴露的地质单元(指定为 Em4/P58)具有高水平的 Th(5-8.5 ppm)、中等至高的 Ti 丰度(5-8% TiO2)和高浓度的矿物质斜辉石和橄榄石(分别约为 31% 和 13%)。任务目标是返回通过撞击坑空间密度确定的年轻月球玄武岩样本。


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嫦娥五号样品玄武岩背散射(BSE)与能谱(EDS)元素分布图(图源自Science)


表面上撞击坑的数量反映了它的相对年龄,较旧的表面有更多的撞击坑。月球是唯一一个用辐射测年校准撞击坑年龄的行星体,因此月球年表用于推断整个太阳系其他行星表面的年龄。例如,火星的气候演变与月球陨石坑年表直接相关。然而,对于小于~3 Ga的年龄,月球年表是高度不确定的。


月球等小天体上的年轻火山活动在其热演化过程中很难解释。尽管月球上年轻的玄武岩喷发发生在高产热元素(如 K、Th 和 U)的区域,但尚不清楚这种关联是否是在月球深处熔化源岩浆的原因。


嫦娥五号任务收集了这些年轻的月球玄武岩样本,并将它们送回地球进行实验室分析。对样品中的岩石和矿物进行了密集、高强度的元素和同位素分析工作,并在此基础上开展了系统的年代测定。


该研究用详尽的微区原位高分辨率二次离子质谱(SHRIMP)定年数据和坚实的岩石矿物地球化学数据,证明了月球直至19.6亿年前仍存在岩浆活动,使目前已知的月球地质寿命“延长”了10亿年。没有证据表明在产生这些熔岩的月球深部地幔中存在高浓度的发热元素,因此需要对月球岩浆活动的做出其他解释。


总之,该研究证明月球在19.6亿年前仍存在岩浆活动,为完善月球演化历史提供了关键科学证据。


注:部分解析参考自中国地质科学院地质研究所官网介绍。

部分解析链接:

http://www.igeo.cgs.gov.cn/ywjx/kydt/202110/t20211008_682053.html


参考消息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7957

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

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

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

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab188/6397035?searchresult=1


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