为何月球在距今20亿年前
依然有火山活动？
这是科学家一直想了解的
月球演化历史研究中的
一个重大科学问题
通过对嫦娥五号带回的月球样品进行研究
中国科学院地质与地球物理研究所
（以下简称地质地球所）的科研人员发现
月幔在二十亿年前
比三十多亿年前含有更多的钙和钛
导致月幔熔点降低
从而克服了缓慢冷却的月球内部环境
引发长期持续的月球火山作用
10月22日
该研究相关成果发表于《科学进展》
论文页面。
“中国人提出的问题必须由中国人解决”
当今月球研究有“一老”和“一新”两个重要科学问题。“一老”是指月球起源及早期演化历史，“一新”是指月球演化的最终过程，即月球地质生命晚期，内部运行状况如何？
此次嫦娥五号着陆的主要目的之一，是寻找最年轻的火山活动月壤样品，以对“一新”问题作出回答。
此前科学家通过撞击坑年代学研究，对月球表面各区域的地质年龄进行初步判断。研究表明，在月球风暴洋西北部地区，可能有比较年轻的月壤，最终嫦娥五号探测器着陆区被规划在这里。2020年12月1日，嫦娥五号探测器成功着陆，并于12月17日将1731克月球样品带回地球。
但仅仅粗略判断“年轻”还不够，科学家还需要对月壤样品开展研究，精准确定月球火山活动的时间。2021年10月，中国科学家在《自然》杂志上发表了三篇文章，揭示了月球火山活动可以一直持续到20亿年前，为月球的地质生命“延寿”了8亿到9亿年，刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知。
然而，新的科学问题也随之诞生。月球形成于约45亿年前，质量只有地球的约1%，对于如此小的天体来讲，理论上它应该快速冷却，很早就停止火山活动，成为地质意义上的“死亡”星球。那导致月球如此“长寿”的根本原因是什么？
月球玄武岩是月幔（相当于地球的地幔）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。国际学者对持续冷却的月幔发生部分熔融曾提出两种假说：一是放射性元素生热导致月幔升温；另一假说是如果水含量高，会降低月幔熔点。
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。这对传统观点提出了挑战，需要全新的理论框架和演化模型来解释“月球为何如此长寿”这一重大科学问题。
地质地球所陈意科研团队决心解决这一问题，“中国人提出的问题必须由中国人解决。”
“补钙补钛”，才能延年益寿
“要想找到月球长寿的秘诀，首先需要搞清楚20亿年前月球内部的状态。”陈意说。然而，目前人类返回的月球样品基本都是月表物质，如何通过月表物质推测月球内部的状态，是比较困难的。
以原有地球岩石学和热力学研究为基础，陈意团队发现，通过对地球火山岩样品进行岩石学和热力学模拟计算，可以反向推演出岩浆最开始形成的深度和温度条件。
这一想法为月球研究打开了新思路。陈意介绍道，在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的基础上，并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。
这是月球不同时期岩浆及热演化示意图（2022年10月20日绘制）。新华社发（中国科学院地质与地球物理研究所供图）
“打个比方，嫦娥五号玄武岩就像月球的一个小儿子，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有明显差异。”陈意比喻说，“通过这种差异，可以反向推演母亲生他们时的身体状态，也就是月球当时的内部状态。”
思路有了，但相较于地球研究，月球研究仍有一定难度。陈意表示，目前人们对地壳、地幔物质组成的认识已经比较成熟，但对月幔的物质组成几乎一无所知，在反向推演时需要格外小心谨慎。
嫦娥五号土壤样品平均粒度仅有50微米。粒度越小，这意味着其中所含矿物量等信息就越少。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，并与阿波罗玄武岩的初始岩浆进行对比。
中国科学院地质与地球物理研究所扫描电镜与电子探针实验室工程师原江燕在分析嫦娥五号月壤成分（2022年10月14日摄）。（中国科学院地质与地球物理研究所供图）
研究发现，与阿波罗玄武岩的初始岩浆相比，年轻的嫦娥五号玄武岩的初始岩浆含有更多的钙和钛，这表明嫦娥五号玄武岩的月幔源区有更多的富钙富钛物质的加入。
陈意解释道，早期的月球是一个岩浆洋，逐渐降温、冷却、结晶，逐渐形成不同层次的月幔和月壳。在岩浆洋晚期，结晶的主要矿物是单斜辉石和钛铁矿，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。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。
进一步的模拟计算结果显示，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”，还导致月幔熔点降低，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。
载人登月将引发新一轮月球研究热潮
下一步，陈意团队将对这一理论模型进行细化，并进一步探索月球地质生命终结问题。“科学家现在知道月球在20亿年的时候，地质生命还没有终结，那么这一终点究竟在什么时候？科学家还没有答案。”
陈意表示，未来科学家可以通过寻找更年轻的月球玄武岩样品来确定这一关键节点；另一个方向是通过进一步完善月球热演化模型，根据降温曲线预测月球内部温度在何时低于其熔点，从而判断地质活动的结束时间。
月球起源问题（“一老”）也是陈意团队关注的重点。陈意认为，月球与地球同根同源，对月球早期演化历史进行研究，有助于解开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，人们尚不清楚地球从45亿年前开始形成到35亿年以前到底经历了哪些过程？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。通过它的地质演化记录，也有助于我们了解地球的现在和未来。”
研究团队。
“我们将进行载人月球探测、月球科考基地的建设、火星采样返回，实施小行星探测等。”10月22日，在中国共产党第二十次全国代表大会第二场党代表通道上，中国航天科技集团有限公司党组书记、董事长吴燕生透露了中国人探索太空的新目标。
陈意对此充满了期待。他相信，载人登月探测将引发新一轮的月球研究热潮。一方面，载人登月不仅是我国国力提升、民族自信的重要体现，还可以带回更大体量样品以供研究；另一方面，相较于机器，航天员可以更有目的性地进行系统采样工作。“载人登月将极大推动人类对月球的认知。”
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来源 | 南方+客户端（记者 徐勉 王诗堃）
剪辑 | 周倩欣
策划 | 吕虹
实习生 | 曾译萱
编辑 | 卓佩仪
校对 | 潘俊杰
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