中國科學(xué)家精確測定月球年齡為20.3億年

　　2023年1月16日，第一屆嫦娥五號月球樣品研究成果研討會在北京成功舉辦，廣泛深入研討了嫦娥五號月壤樣品基本特性、月球火山活動歷史及年輕火山活動成因、月球水和揮發(fā)分的含量與來源、月球表面隕石撞擊和太空風(fēng)化作用、地外樣品分析新技術(shù)等主題。

　　2020年12月17日，嫦娥五號帶回1731克月球樣品，這是我國首次完成地外天體樣品采集，也是時隔44年，人類再次帶回月球樣品。

　　首批月球樣品于2021年7月12日向國內(nèi)科學(xué)家發(fā)放，目前已完成五次樣品分發(fā)，共計198份、65.1克。

　　樣品發(fā)放一年半以來，相關(guān)研究已有50多項成果在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，推動我國月球科學(xué)研究進入國際前沿。

　　首批相關(guān)研究成果于2021年10月發(fā)布，在著陸區(qū)火山活動時代、源區(qū)性質(zhì)等方面獲得顛覆性認識，相關(guān)工作在《科學(xué)》和《自然》共發(fā)表四篇論文，在國際學(xué)術(shù)界引起巨大反響。

　　2022年9月，國家航天局、國家原子能機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布中國科學(xué)家首次在月球上發(fā)現(xiàn)新礦物“嫦娥石”，這是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，我國成為世界上第三個在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國家。

　　本次研討會邀請14位專家作報告，介紹了嫦娥五號樣品的申請評審使用情況、研究的最新成果和未來嫦娥六號采樣任務(wù)。

　　中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李獻華院士在報告中披露，我們中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理團隊2021年取得很好的成就，發(fā)表了三篇的《自然》文章，精確測定了嫦娥五號月壤樣品的年齡是20.3億年，而過去認為30億年最晚到28億年就結(jié)束了。

　　嫦娥五號月球樣品研究部分代表性成果——

　　(1)嫦娥五號玄武巖揭秘月球年輕火山成因之謎

　　2021年，中國科學(xué)家對嫦娥五號玄武巖的研究，證實月球火山活動可以一直持續(xù)到20億年前，不僅刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認知，也提出了新的科學(xué)問題：月球火山活動為什么持續(xù)如此之久。

　　針對這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究團隊，采用新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術(shù)分析了巖屑的全巖主量成分，結(jié)合一系列巖漿分離結(jié)晶模擬和熱力學(xué)模擬計算，恢復(fù)了嫦娥五號玄武巖和阿波羅低鈦玄武巖的初始巖漿成分，限定了不同時期月球火山巖的源區(qū)組成，獲得了它們?nèi)廴诘臏貕簵l件。

　　研究發(fā)現(xiàn)，與古老的阿波羅低鈦玄武巖相比，年輕的嫦娥五號玄武巖的初始巖漿含有更高鈣和鈦，可能因為源區(qū)含有更高的(約20%)巖漿洋晚期形成的單斜輝石-鈦鐵礦堆晶體，導(dǎo)致月幔熔點降低，誘發(fā)年輕火山的形成。

　　此工作量化了月球內(nèi)部緩慢冷卻的熱演化過程，為“月球年輕火山成因”這一重要科學(xué)問題提供了全新的解釋，將為啟發(fā)新的月球冷卻模型的建立，深化我們對月球的起源和演化的認識。

　　(2)嫦娥五號月壤玻璃珠年代學(xué)探討內(nèi)太陽系動力學(xué)

　　月壤中含有大量玻璃，撞擊成因玻璃是了解內(nèi)太陽系撞擊歷史的重要研究對象，能夠反映月殼物質(zhì)組成和內(nèi)太陽系的撞擊動力學(xué)。

　　中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)、澳大利亞科廷大學(xué)和國立大學(xué)、布朗大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、山東省地質(zhì)科學(xué)研究院、瑞典自然歷史博物館、諾特丹大學(xué)的學(xué)者組成的國際研究團隊對嫦娥五號月壤中的玻璃珠開展了系統(tǒng)的離子探針U-Pb定年，建立撞擊濺射物數(shù)值模擬等方法，獲得嫦娥五號撞擊玻璃球粒準確的撞擊年齡，并限制了月球上撞擊玻璃球粒的傳輸距離應(yīng)小于150 km。

　　通過與撞擊坑頻率年齡對比，初步確定了產(chǎn)生嫦娥五號撞擊玻璃球粒的源撞擊坑，并討論了撞擊玻璃球粒的年齡分布與內(nèi)太陽系撞擊體遷移的動力學(xué)過程，表明月球撞擊通量變化可能與小行星帶動力學(xué)過程有關(guān)。

　　此工作首次獲得了嫦娥五號月壤中的多組撞擊玻璃球粒年齡，并與著陸區(qū)撞擊坑關(guān)聯(lián)，證實了月球20億年以來撞擊頻率隨著時間變化，這意味著地球歷史上經(jīng)歷過撞擊頻率高于平均水平的時期，為地月系統(tǒng)撞擊歷史研究提供新的方向。

　　(3)嫦娥五號樣品中發(fā)現(xiàn)高含量的太陽風(fēng)成因水

　　相比于阿波羅和月球號在月球低緯度采樣，嫦娥五號所采集的中緯度月球樣品，為探究月表水含量和保存機制提供了全新的窗口。

　　中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究團隊對嫦娥五號月壤樣品中的輝石、橄欖石和斜長石礦物開展研究，分析了不同礦物中水的成因、含量與賦存狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風(fēng)成因水，估算出太陽風(fēng)質(zhì)子注入為嫦娥五號月壤貢獻的水含量至少為170 ppm。

　　結(jié)合透射電鏡與能譜分析，揭示了太陽風(fēng)成因水的形成和保存主要受礦物的暴露時間、晶體結(jié)構(gòu)和成分等影響。

　　此工作證實了月表礦物是水的重要“儲庫”，為月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考。

　　(4)嫦娥五號樣品月壤礦物中發(fā)現(xiàn)新礦物，命名為嫦娥石

　　中國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)月球新礦物，不僅體現(xiàn)了中國現(xiàn)代科技和工程技術(shù)水平，而且也是中國人對人類開展月球研究和深空探測的貢獻。

　　核工業(yè)北京地質(zhì)研究院通過對樣品進行詳細研究，在十四萬個月壤顆粒里找到了一個可以解結(jié)構(gòu)的嫦娥石顆粒，并用聚焦離子束把它切割并提取出來，這是一顆4*7*10微米的顆粒。

　　這項發(fā)現(xiàn)增添了礦物族新成員，特別是外星體礦物新成員，推動了礦物學(xué)學(xué)科的發(fā)展，為月球、行星科學(xué)研究提供了新的科學(xué)數(shù)據(jù)，具重大科學(xué)意義。

　　該礦物是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，我國成為世界上第三個在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國家。

　　此工作發(fā)現(xiàn)嫦娥石形成于不同的環(huán)境和條件，通過研究其形成條件，可以為分析月球巖漿演化提供線索。

　　(5)嫦娥五號樣品月壤成分特征

　　嫦娥五號樣品是否可以代表著落區(qū)玄武巖的平均化學(xué)成分需要研究。

　　中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)研究團隊針對月壤樣品建立一種新的分析技術(shù)，在最低2毫克樣品極低損耗量情況下，同時準確測定了月壤中48種主量和微量元素含量。

　　經(jīng)過對兩批次的鏟取月壤進行七次抽樣分析，結(jié)果高度一致，與國家天文臺團隊采用不同分析方法，對不同批次不同用量的月壤分析結(jié)果相同;與嫦娥五號任務(wù)遙感數(shù)據(jù)也一致，表明鏟取月壤很均勻，可以代表著落區(qū)玄武巖的平均化學(xué)成分。

　　經(jīng)過與118個美國Apollo月壤樣品、3個前蘇聯(lián)Luna樣品的對比，我們發(fā)現(xiàn)嫦娥五號樣品在化學(xué)成分上富鐵、中鈦、富釷。

　　此外，鎳含量遠高于玄武巖，這表明有隕石加入，根據(jù)鎳含量，估計有1%左右的隕石物質(zhì)加入到月壤中。

　　嫦娥五號著陸區(qū)位于風(fēng)暴洋西北部的月海，但也可能存在月海之外的物質(zhì)，源于撞擊濺射混染。

　　山東大學(xué)團隊利用激光顯微拉曼光譜技術(shù)了兩份嫦娥五號月壤，研究發(fā)現(xiàn)嫦娥五號月壤的輝石和橄欖石礦物化學(xué)成分范圍基本與嫦娥五號玄武巖一致，但仍存在少量(~5-7%)的富鎂(Mg#>70)物質(zhì)，這些富鎂的鎂鐵質(zhì)礦物有可能與Apollo樣品中的鎂質(zhì)巖套巖石有關(guān)。

　　推斷嫦娥五號著陸區(qū)可能包含5-7%的外來鎂質(zhì)濺射物，其可能源自遠離著陸區(qū)的大型撞擊坑挖掘出的月殼物質(zhì)。