20亿年前玄武岩揭示月球演化奥秘。月球上火山活动何时停止？曾经的岩浆活动如何维持？月幔到底有多“干”？嫦娥五号月球样品具有怎样的特征？能否解答上述问题？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和中国科学院国家天文台主导，联合多家研究机构通过三篇《自然》论文和一篇《国家科学评论》论文，报道了围绕这些重要科学问题取得的突破性进展。
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。月壤样品此前来自美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究已证实，月球的生命特征之一——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。在最新的研究中，科研人员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（斜锆石、钙钛锆石、静海石）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。
科研人员介绍，科学家曾以一种统计区域撞击坑的大小和数量的方法，推断嫦娥五号着陆区是月球最年轻玄武岩单元之一，这一区域的年龄为10至30亿年，这种方法存在着极大不确定性。此次嫦娥五号玄武岩的精确年代学数据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。此次研究采用的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术处于国际领先水平，为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。
同时，月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜，目前科学界存在两种可能的解释：岩浆中富含放射性元素以提供热源，或富含水以降低熔点。
最新研究基于地质地球所研发的超高空间分辨率同位素分析技术，取得了意料之外的结果：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，是由于岩浆后期经过大量矿物结晶固化后，残余部分富集而来。
这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说，揭示了月球晚期岩浆活动过程。对于岩浆源区是否富含水，科研团队利用地质地球所纳米离子探针研发的分析技术，测定了嫦娥五号玄武岩中的水含量和氢同位素组成，获得月幔源区的水含量仅为1-5微克/克，也就是说月幔非常的“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，导致该区域岩浆活动持续时间异常延长的猜想。该系列成果对月球热演化历史研究提出了新的科学问题，月球冷却如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理论框架和演化模型，对未来的月球探测和研究提出了新的方向。这是首批由我国科学家主导独立完成的嫦娥五号月球科研样品研究成果，充分彰显出中国科学家的科研水平和创新能力。
国际专家对此次发布的成果高度评价，美国新墨西哥大学月球与行星科学研究所的查尔斯·席勒高级研究员、卡内基研究所理查德·加尔森研究员等认为该系列成果“提供了迄今为止月球上确定的最年轻的玄武岩的证据”、“改变了我们对月球的热历史和岩浆历史的认识”、“对我们认识月球起源和演化具有重要的意义”。国家航天局探月与航天工程中心受国家航天局委托，实施月球样品的具体管理工作。
2021年7月12日，嫦娥五号任务第一批月球科研样品正式发放，国内共有13家科研机构获得约17476.4 mg样品。中国科学院高度重视月球科研样品研究工作，第一时间组织全院月球和行星科学领域的科研人员，开展多学科交叉的优势队伍协同攻关，全面开展嫦娥五号月球科研样品综合分析和研究，于2021年5月正式设立重点部署项目“嫦娥五号任务月球科研样品综合研究”。
该项目以月球科研样品的基础物理特性、物质成分为研究对象，解构嫦娥五号月球科研样品的特性信息。此次发表的4篇文章，是该项目取得的首批研究成果。此外，中国科学院还积极推动嫦娥五号月球科研样品分析研究的国际合作交流。目前，基于中法两国科学家在空间领域的长期友好合作基础，中国科学院和法国空间研究中心以及法国科研中心在月球样品合作研究方面已经初步达成共识，双方将以人员交流和共同研究项目的形式开展互补合作。
未来中国科学院还将继续加强与国际科技界在月球样品研究方面的交流与合作。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，也是人类44年来再次返回新的月球样品。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。月海玄武岩浆的持续时间和地球化学特征是理解月球热-化学演化的钥匙。
嫦娥五号着陆区是最年轻的月海玄武岩单元之一，撞击坑密度定年结果存在极大不确定性（10-30亿年）。同时，月球最晚期岩浆活动的成因一直是未解之谜，存在两种可能的解释：源区富含生热元素以提供热源，或富含水以降低熔点。围绕上述科学问题，中科院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。