李献华院士团队分析研究嫦娥五号月球样品，让20亿年前玄武岩揭示月球演化奥秘

“7 月 12 日上午 10 点多，我们拿到嫦娥五号月壤样品，11 点多放到月壤样品洁净实验室。紧接着，所长吴福元院士赶在午饭前，召开了项目启动会，并布置下来定量化任务，要求七天之内完成相应分析，14 天写完论文并进行投稿。” 日前，李献华院士领导的中国科学院地质与地球物理研究所科研团队，在《Nature》杂志上发表了三篇嫦娥五号月壤样品研究的文章（他是其中一篇论文的共同通讯作者）。回忆数月前领到月壤样品的那个上午，他依旧历历在目。

此次研究对象是嫦娥五号取回来的月壤，最终发现这些月球样品是一类新的月海玄武岩，精确测出嫦娥五号玄武岩年龄为 20 亿年，确证 20 亿年前月球仍存在火山活动。此外，月幔源区的放射性生热元素并不高，而且月幔源区几乎没有水。这些成果刷新了人类对月球岩浆活动的认识，同时也对月球年轻火山活动的成因进行了探究。

致月球：我想问你两个问题

李献华说，按照欧阳自远院士所说，月球研究存在两个基本问题：

一个问题是月球到底有多老？相比之下，人类已经精确知道太阳系中最早的固体物质（富钙铝的难熔包裹体，CAIs）年龄是 45.67 亿年，但并不清楚月球的准确年龄。尽管人们知道月球在 45 亿年前就已形成，但在 45 亿年到 40 亿年这段时间中，关于它的历史非常模糊，即并不知道月球最初形成之后的遭遇。

另一个问题是月球 “死于” 何时？即月球最后的、也就是最年轻的岩浆活动结束于何时。知道这一答案，便可知道月球在何时变得没有活力。此次嫦娥五号的登陆点，正是针对这一科学问题而进行的精心选择。说到这里李献华院士说：“所以你想，我得到了第一个年龄的时候能不兴奋吗？”

这一年龄证明了月球上这一地方的确比较年轻，即在 20 亿年左右。以前用撞击坑统计的方法发现，嫦娥五号着陆区的年龄大概是从 12 亿年到 30 亿年，存在非常大的不确定性。

而李献华院士团队首次把月球最年轻火山活动的年龄精确厘定到 20.30 亿年。那么，为什么月球在这么晚仍有岩浆活动且具有能量？

他表示，嫦娥五号样品最重要就是年龄。美国阿波罗登月计划在半个多世纪中获得了很多样品，做了很多工作，同时也结合月球陨石做了一些研究。

此前人们认为，月球主要的岩浆活动大约集中在 40 亿年到 30 亿年前，结合美国阿波罗样品的研究结果，加上陨石的年龄，大概可以延续到 28 亿年左右。

换句话说，年龄小于 28 亿年的岩浆活动是没有记录的。而大家以前一般认为大概 28~30 亿年以后，月球就不再有岩浆活动。当一个星球没有岩浆活动，它就会失去活力，从地质学意义上说等于 “死亡” 了。

但是在此前人类对月球的探索中，阿波罗任务的登月点很少，所以并不能据此判定月球真的完全“死亡” 。

为此，科学家使用阿波罗样品的年龄、以及阿波罗登陆点的撞击坑密度，提出一种撞击坑计数定年方法。该方法的基本原理是越老的地方、记录的撞击坑越多，越年轻的撞击坑记录越少。假如有一个今天刚形成的玄武岩，那上面肯定还没有坑记录。

根据遥感图像，我们能数清楚撞击坑。根据撞击坑计数定年这一方法，即可进一步估计月球不同地区的年龄。通过这种方法，科学家们认为嫦娥五号着陆区是月球最年轻的地方之一。

同时，这个地区用遥感方法做出来的钍（Th）含量也比较高，故被认为含有较多放射性生热元素，因此猜测该地区月幔物质也可能具有高放射性生热元素，故能维持比较年轻的火山活动，但这都是根据遥感观测数据做出的推测，此前从未被证实过。

李献华院士指出，月球表面的玄武岩是从深部月幔熔融出来的，月幔的岩石要熔融的一个重要条件是需要热量。以前认为这个地方放射性生热元素高，现在通过样品测试，可以研究它的源区究竟是不是具有很高的放射性生热元素。实验做完之后发现，嫦娥五号玄武岩源区的放射性生热元素并不高，这一发现明显不同于前人的认知。

这表明，我们对月球的热演化历史需要重新思考。

一个岩石要熔融，会涉及到两个温度：一个叫固相线温度，即岩石开始发生熔融的温度；还有一个叫液相线温度，即岩石全部融掉后的温度。

要想让岩石熔融，就得让温度达到固相线温度，要么采取升温手段让它达到固相线温度，要么把它的固相线温度降低一些。

总而言之要达到熔融温度，升温是一种方法，另外一种是降低固相线的温度，也就是加水或其它挥发分，比如说氟、氯这些卤素元素，都可以让降低岩石熔融的温度，其中水是最重要的挥发分。

同时，李献华院士团队的另一组成员在做月壤样品水的分析研究，做完之后发现月幔的源区非常干，水含量只有 1~5ppm。与阿波罗样品反推的月幔相比，这是水含量最低的月幔。换句话说，这个地方能熔融并不是因为它很富水。

 （来源：Nature）

争分夺秒尽早获得科学数据

谈及研究过程，李献华院士说嫦娥五号在取样时有两类，一类铲取样，即嫦娥五号登陆器在月球上，用铲子获取的月球表面一层细细的月壤，约 1.4 公斤左右；第二类是钻孔样品，大概有三百多克，样品总共重 1.731 公斤。

7 月 12 号那天，发的是铲取样品。其中有部分铲取月壤已经被制成一个表面抛光的光片，可以直接进行微区原位分析，所以李献华院士团队拿到后随即开始进行分析研究。

李献华原来主要做地球前寒武纪地质研究，本身属于基础科学研究。他所研究的年代学，主要是地球样品的年代研究，相比做月球样品的年代研究，两者在技术方法上没有本质的差别。但月壤定年更难一点，因为月球样品不仅更珍贵，而且月壤非常细，使用的技术也更精细。

为了完成吴福元所长设定的工作目标，只能争分夺秒开展实验工作，时间上相当紧张。拿到样品的当天，李献华院士团队就开始连夜做实验。第二天上午十点钟左右，团队成员使用扫描电镜给光片做完图像后，立刻把这些样品转到另外一个实验室继续进行下一步的测试分析，整个过程大家都在轮班倒，实现了无缝对接，保证 “仪器测试不能停，样品分析不能等”。

可以说，此次研究进展是以小时来计量。研究中的第一个年龄数据，是在样品到达研究所后第 53 个小时获得的，即两天零五个小时；第一个氢同位素和水含量数据是在第 55 个小时获得。

李献华院士说，“我们这次研究成果之所以受到这么大的关注，主要是因为嫦娥五号样品。公众也对月球有着强烈的好奇心和求知欲。从某种意义上来说，科学家的研究可以提高公众的科学水平，是一件好事情。”

是否还有其他因素有利于月幔发生熔融呢？

谈及未来，李献华院士说月球的研究不是说发完论文就结束了，这只是刚刚开始。

过完 2021 年国庆节，探月中心开始组织答辩，并启动第二轮的月球样品申请。在李献华院士团队发表论文的当天，第二批样品申请获得者名单正式公布。

在第二轮样品发布中，不仅有月壤表面的铲取样品，还有钻孔样品。因此李献华院士说：“好事（还）在后头。”

他指出，是否还有其他因素有利于月幔发生熔融呢？还有一种是降压，降压要做很多的计算和反演，而这也是该团队目前正在做的事情。

总而言之，嫦娥五号玄武岩月幔源区的放射性生热元素并不高，水含量也不高，这本身是不利的条件，那么为何月幔到了这么晚还能熔融？这也是李献华院士的研究团队成员拿到第二批样品后，准备研究的下一个科学问题。