揭秘年轻火山成因、月球“撞击”历史之谜……嫦娥五号月球样品科研成果发布

我们对月球的认识，又有了新突破！第一届嫦娥五号月球样品研究成果研讨会举办，来看嫦娥五号月球样品研究取得哪些系列原创性成果。

撰文/记者 段然 新媒体编辑/吕冰心

2023年1月16日，在农历新春佳节临近之际，由探月与航天工程中心、中科院前沿科学与教育局、国家自然科学基金委员会地球科学部主办，中科院地质与地球物理研究所承办，国家天文台协办的“第一届嫦娥五号月球样品研究成果研讨会”在北京成功举办。

来自航天科技、地球与地质科学、核工业等多个相关领域的杰出专家云集此次研讨会，先后有14位与会专家受邀在研讨会上作了精彩的学术报告，对嫦娥五号月壤样品的基本情况，样品的最新研究成果以及嫦娥六号采用任务的未来规划作了详细生动的介绍。席间，围绕嫦娥5号月壤样品基本特性、月球火山活动历史及年轻火山活动成因、月球水和挥发分含量与来源、月球表面运输撞击与太空风化作用、地外样品分析新技术发展等关键主题进行了广泛深入的交流与研讨，在巩固消化中国探月工程最新科研成果的同时，也为中国乃至全球的科学界献上了一场精彩纷呈的思想盛宴。

01
从“嫦娥五号”到“嫦娥六号”

作为我国探月三期工程的收官之作，嫦娥五号探月任务的圆满完成，不仅标志着我国探月工程取得阶段性胜利，还从月球带来了一份无价之宝——质量为1731克的月壤样品。这批蕴含着海量月球地质信息的珍贵样品，于2021年7月21日开始向各科研单位发放，首批发放了13个科研机构。此后一年多的时间里，先后完成了五个批次共198份样品的发放，总共65.1041克。面对这些首次由中国航天器带回的月壤样品，科研人员们表现出前所未有的热忱，很快就从中解读出大量足以颠覆以往认知的重要信息，重大成果竞相涌现，并引起国内外学术界的强烈反响。
在研讨会上，中国探月工程的领军人物分别作了主旨报告。中国探月工程三期副总设计师及嫦娥六号任务副总设计师李春来院士对嫦娥五号样品的申请和研究情况，以及未来嫦娥六号任务的着陆区选择作了详细报告。中科院地质与地球物理研究所的朱日祥院士则对嫦娥五号样品的评审情况和研究成果概括进行了系统梳理。探月与航天中心嫦娥六号/八号任务副总设计师王琼则对未来嫦娥六号月球背面采样返回任务作了介绍与展望。

作为中国探月工程三期总设计师，参加此次研讨会的胡浩对记者表示：“这么多的单位与团队来参与月壤样品的研究，并且取得了很多的科研成果，这对于中国探月工程特别是嫦娥五号任务而言，是一个巨大的肯定与推动。” 胡浩认为，嫦娥五号工程是在技术上搭建一个平台，使科学家们获取更多的信息，以满足科研工作的需要。他同时指出，嫦娥五号任务的复杂性主要体现在环节多、变化大，嫦娥五号既要在地球轨道上飞行，又要进行绕月飞行和着陆，还要进行样品采集并返回，这些环节都是新的挑战。对于未来的嫦娥六号，胡浩说道：“我们后续还有嫦娥六号任务，他们对嫦娥六号任务的期待，就是对我们的要求，我们要更加倍努力地完成我们的任务，来满足科学家们各个方面的要求。”
正是在嫦娥五号月壤样品的毫厘微尘之间，科学家们用科学严谨的思维，逐步为世人描绘了一幅月球前世今生的奇妙图景。

补钛补钙，益寿延年？
揭秘月球年轻火山成因之谜

在研讨会上，来自中国科学院地质与地球物理研究所的李献华院士、胡森研究员与田恒次副研究员，来自中国地质大学(武汉)地球科学学院的汪在聪教授与钱煜奇博士等专家，针对月球火山活动历史及年轻火山活动成因等重大科学问题作了精彩报告。而他们的科研成果则是源自月壤中的玄武岩屑。
月球上的玄武岩是月幔部分熔融所产生的岩浆喷发到月表后凝固形成的岩石，蕴含着大量月球早期的地质信息。嫦娥五号的登陆点位于风暴洋克里普地体的东北部地区，这一地区恰好位于地质年龄第三年轻的玄武岩单元，该地区玄武岩的形成时间与月球火山活动结束的时间接近。通过对嫦娥五号月壤样品中玄武岩屑的研究，中国的地质学家们发现月球火山活动一直持续到20亿年前，而传统理论认为月球在25亿年前就停止了火山活动。这极大刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知，同时也将一个全新的问题摆在人类面前：月球火山活动为什么能持续如此之久？
针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士领导的研究团队，采用新研发的扫描电镜能谱定量扫描技术，对月壤玄武岩屑的全岩主量成分进行定量分析，结合一系列岩浆分离结晶模拟和热力学模拟计算，获得了嫦娥五号玄武岩和阿波罗低钛玄武岩的初始岩浆成分，通过限定不同时期月球火山岩的源区组成，获取了他们熔融的温压条件。他们发现，相比于古老的阿波罗玄武岩，年轻的嫦娥五号玄武岩的初始岩浆含有更高的钙和钛。可能因为源区含有更高的岩浆洋晚期形成的单斜辉石-钛铁矿堆晶体，导致月幔熔点降低，诱发年轻火山的形成。李献华院士就在研讨会上的报告中总结道：“月幔源区，富钙富钛，熔点降低，因此月球的岩浆活动能够持续到20亿年前。”
这一研究成果对月球内部冷却的热演化过程作了量化，为“月球年轻火山成因”这一科学问题提供了全新的解释。同时为未来月球冷却模型建立提供了新启示。

月壤玻璃珠诉说月球“撞击”历史

除了玄武岩，月壤中还含有大量的玻璃，而因外来天体撞击月球表面而形成的玻璃，是了解内太阳系撞击历史的重要研究对象。通过对这些细微玻璃珠的研究，能够了解月壳物质组成和内太阳系的撞击动力学。中国地质科学院地质研究所的车晓超副研究员就针对这一科学问题在他的报告中进行了深入讲解。
由中国地质科学院地质研究所、中国地质大学（武汉）、澳大利亚科廷大学和国立大学、布朗大学等多家海内外科研机构组成的国际研究团队，对嫦娥五号月壤中的玻璃珠开展了系统的离子探针U-Pb定年研究，通过采用撞击溅射物数值模拟等方法，获得嫦娥五号撞击玻璃球粒准确的撞击年龄，并确定了月球上撞击玻璃球粒的传输距离应小于150 千米。通过与撞击坑频率年龄对比，研究人员初步确定了产生嫦娥五号撞击玻璃球粒的源撞击坑，并对撞击玻璃球粒的年龄分布与内太阳系撞击体迁移的动力学过程进行了探讨。研究发现月球撞击通量变化可能与小行星带动力学过程有关。
从嫦娥五号月壤中，研究人员获得了多组撞击玻璃球粒年龄，并将其与着陆区撞击坑关联，证实了月球20亿年以来撞击频率随着时间不断变化。这一成果意味着：地球曾经经历过撞击频率高于历史平均水平的时期，这些新发现为地月系统的撞击历史研究提供了新方向。

月球之“水”：
月壤样品中发现高含量的太阳风成因水

早期人类通过遥感光谱探测的研究发现，月球表面的水含量可能与月球维度存在正相关性关系，因此相比较降落在低纬度的美国与前苏联探月器，在中纬度采得的嫦娥五号月壤样品对月球表面水含量、成因和保存机制的研究提供了全新的视野。中科院地质与地球物理研究所的胡森研究员、地球化学研究所的李阳副研究员等专家就在会上就月球水和挥发分含量与来源等问题进行了专题报告。
中国科学院地球化学研究所研究团队对嫦娥五号月壤样品中的辉石、橄榄石和斜长石矿物开展研究，分析了不同矿物中水的成因、含量与赋存状态，发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水，估算出太阳风质子注入为嫦娥五号月壤贡献的水含量至少为170 ppm。结合透射电镜与能谱分析，揭示了太阳风成因水的形成和保存主要受矿物的暴露时间、晶体结构和成分等影响。
这一研究成果揭示了：月球表面其实并不缺少水，只是不完全以液态或固态形式存在，而是以羟基的形式储存在月球表面，并进一步证实了月表矿物是水的重要“储库”，为月表中纬度地区水的分布提供了重要参考。
除了上述成果外，本次研讨会还重点研讨了嫦娥五号样品月壤成分特征、月球新矿物嫦娥石等重大科学议题，核工业北京地质研究院通过对样品进行详细研究，在十四万个月壤颗粒里找到了一个可以解结构的嫦娥石颗粒，并用聚焦离子束扫描电镜把它切割、提取出来。这项发现增添了矿物家族、特别是地外矿物新成员，推动了矿物学学科的发展，为月球、行星科学研究提供了新的科学数据，具有重大科学意义。
本次研讨会的成功举办，不仅集中展示了月壤样品分发一年多来我国科学界所取得的重大科研成果，有助于加深公众对我国探月工程深远意义的理解，同时还为各个科研团队提供了难能可贵的交流平台，将对我国月球科学研究的未来发展产生重要的推动作用。