2020年12月,我国首次月球采样返回任务——嫦娥五号,在月球正面的风暴洋北部一举成功返回了1731克样品。这是继1976年苏联“月球(Luna)24号”最后一次月球采样任务44年之后再次返回月球样品,也是人类首次在月表最年轻火山岩区进行采样。那么嫦娥五号首批月球样品为我们揭示了哪些重大科学问题呢?
如果把火山活动产生的岩浆比喻为一颗星球的“血液”,那么“血液”最后一次流动的时间代表星球的地质寿命结束的时间。地球体积大能量足,至今依然有火山活动。火星(直径约为地球的一半)在2亿年前停止火山活动,成为一颗死亡星球。月球(直径约为火星的一半)是何时死亡的一直是科学家们关心的问题。
精准的放射性同位素定年结果显示,美国Apollo和苏联Luna返回样品的年龄大于30亿年,月球陨石的年龄大于28亿年。
中国科学家对嫦娥五号首批月球样品的47块不同结构的玄武岩碎屑进行了分析统计,利用自主研发的超高空间分辨率铀(U)-铅(Pb)定年技术,对3微米以上的51颗含锆矿物(斜锆石、钙钛锆石、静海石等)进行了离子探针分析,最终得到了一个精确的年龄:20.30±0.04亿年。这一发现将月球最年轻的玄武岩样品年龄更新为20亿年前,意味着月球“血液”流动的时间(即月球的地质寿命)延长了8 - 9亿年。
月球是一部太阳系45亿年的行星暴力史书,完整地记录并保留了整个历史时期的小行星撞击事件。通常来说,月球上地质单元的年龄关系简单地遵循叠加定律:上层的岩石更年轻,下层的岩石更古老。另外,小行星撞击月表是随机发生的,所以理论上任何一块月面被撞击的几率都是相等的。更古老的地区,会积累更多的撞击坑,由此形成了一种利用撞击坑分布密度估算行星的表面年龄的方法——撞击坑统计定年法。
得益于美国6次阿波罗计划(返回样品381.69 kg)和苏联3次月球计划(321 g),科学家们用返回样品的绝对年龄将相应的地质单元进行标定,建立了撞击坑统计定年曲线。然而,由于缺乏年轻的月球样品,定年曲线在10-30亿之间没有定标点。嫦娥五号样品正好填补了这一空白,为这条定年曲线在20亿年处提供了一个关键锚点,极大地提高了撞击坑统计定年方法的精度。
目前大量观测事实认为,月球起源于一次大碰撞,由碰撞抛射出去的高温岩浆和气体冷凝而成。经此过程,水等挥发成分大量丢失,因此理论上月球应该是一个很“干”的星球。然而,不同科学团队估算的月幔水含量从无水(“Bone Dry”)到富水(高达200微克/克),变化达两个数量级,导致月球的“干”“湿”之争持续了几十年。
嫦娥五号返回样品作为迄今为止最年轻的玄武岩,地质背景清晰,经历的后期改造(如小行星和彗星撞击、太阳风粒子注入等)最少,是回答这一问题的绝佳对象。科学家利用高空间分辨率纳米离子探针,分析了矿物和熔体包裹体的水含量和氢同位素组成,估算嫦娥五号样品的月幔源区的水含量仅为1-5微克/克,表明月幔非常之“干”。