目前为止，嫦娥五号任务取回的月球样本已产生43篇学术论文。科学家们如何通过毫克级别的珍贵月球“土特产”，破解月球演化奥秘？

撰文/记者 段然  编辑/丁林

月球不仅是地球在浩渺星空中的亲密伴侣，更是人类探索太空的“启航点”。无论是极目远眺，研究河汉彼岸的天体演化规律，还是回首俯瞰，探索地球家园的过去与未来，这个熟悉又陌生的天体都为我们提供了绝佳样本。

人类对月球的探索，经历了“由远及近”的过程，从依靠光学望远镜等地面观测设备“抬头仰望”，到向月球发射探测卫星近距离遥感观测，再到以探测器登陆月面……当然，这些探索活动都不如从月表带回点月壤样本，放在地球的实验室进行研究来得直观。

▲研究人员在显微镜下挑选嫦娥五号取回月球样品中的微米级颗粒（图片来源：人民日报客户端）

10月22日，中国科学家根据对嫦娥五号月壤的研究，提出了新的月球热演化模型，揭开了困扰学术界的一大谜团：“为何月球在距今20亿年前依然有火山活动？”国际期刊《科学进展》在线发表了这一最新研究成果。

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“嫦娥”带回无价之宝

2020年12月17日，嫦娥五号返回舱在内蒙古四王子旗成功着陆，将珍贵的月球“土特产”顺利送达。作为我国探月三期工程的收官之作，本次任务的圆满完成不仅标志着我国探月工程活动的阶段性胜利，还给科学家们带来了一份“无价之宝”：总质量1731克的月球样品。

国内科学界对这抔月壤充满了热忱与期待。要知道，在嫦娥五号成功采样归来之前的几十年间，我国的科学家想要近距离研究月壤只能依靠1978年美国赠送的1克样品（能进行实际研究的是其中的一半）。中科院院士、探月工程重大专项领导小组高级顾问欧阳自远回忆：当年把样品取回来后看到，这是一块装在有机玻璃里面的小石头。美国人在上面做了一个放大镜，用放大镜看像大拇指一样大，但实际只有黄豆一般大小。

这1克样品极其珍贵。科学家最多只能用0.5克，剩下0.5克必须保存起来。就用这0.5克月壤样本，花了3到4个月时间，中国科学家完成了全部的分析测试工作，发表出14篇科学论文。

相比之下，嫦娥五号取回的月壤中蕴含的科研信息将是海量的。我国科学家对这份月壤的期待程度，简直可以用“望眼欲穿”来形容。

2021年7月12日，嫦娥五号月球样品开始正式发放到我国各科研单位手中，第一批发放了13个科研机构，到目前为止发放了5批次共计198份样品，总共65.1041克。

作为我国最重要的地学研究机构之一，中国科学院地质与地球物理研究所（以下简称“中科院地质地球所”）接收了其中相当一部分月壤。“我们一共获得了48份样品，共计18.9112克，占所有样品总质量的29%。目前已返还15份，占所有返回份额的50%。”近日，在中科院地质地球所举办的学术报告会上，中国科学院院士李献华回想起当初接收月壤的情景，依然有些激动。

▲嫦娥五号取回的月球样品，目前已产生相关学术论文43篇（图片来源：李献华院士报告PPT）

正是依靠这些珍贵的月壤样本，科研人员们从中得到了不少足以颠覆既往认知的重要成果，用科学严谨的思维为我们描绘了月球演化史的奇妙图景。

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独特岩石揭示月球如何形成

地球的“小伙伴”月球是如何诞生的？针对这个略带哲学色彩的提问，人类长期缺乏值得信服的科学性解释。直到上世纪70年代，苏联的“月球”探月任务与美国的“阿波罗”任务先后将月壤样品带回，我们对这一问题的认识才逐渐从混沌走向清晰。

在对阿波罗11号带回的那批重达21千克的月壤进行研究后，科学家发现，相比于地壳中铁元素含量之丰富，月球是个不折不扣的“缺铁体质”，氢、氦、碳等挥发性元素也非常匮乏。

对月壤的成分研究，与以往所提出的“捕获说”“分裂说”等传统假说相冲突，科学家提出了新的撞击理论：45亿年前的太古时期，地球刚刚诞生不久，一颗火星大小的古老行星和地球发生剧烈碰撞，向太空溅射的物质在引力作用下形成了月球。

随后，撞击理论迅速成为学界共识，它完美地解释了月壤中发现的种种现象：碰撞行星的铁核主要融进了地核，使得月球相对“缺铁”。碰撞后产生的巨大热量，也让较轻的挥发性元素四散逃逸。

中科院地质地球所研究员李金华在报告中指出：“根据大碰撞理论，地月是同源的。它们在早期也都分异出了核、幔、壳的结构。然而在后期的演化中，月球和地球的命运截然不同。”

▲部分嫦娥五号月球样品在2021年中国航天日活动中展出（图片来源：国家航天局）

通过对阿波罗11号带回的月壤样本进行分析，科学家们从中发现了大量的斜长岩岩屑——这类岩石在地球并不多见。之后又逐步确定了月壤所含的主要岩石成分：高地岩石（包括斜长岩等），角砾岩石，月海玄武岩和克里普岩（KREEP）。其中，月海玄武岩由斜长石、辉石和橄榄石组成，主要分布在各个“月海”洼地一带。克里普岩是地球所没有的独特岩石，因其富含钾（K）、稀土（RE-E）和磷（P）而得名。

科学家根据这些发现，提出了“岩浆洋”理论，该理论描绘了这样一幅场景：整个月球遍体通红，表面被数百公里深的炽热“岩浆海洋”所覆盖，到处都是喷发的火山和燃烧的火焰。而随着表面温度的不断下降，岩浆中的橄榄石和辉石成分首先结晶，这类岩石密度较大，会沉入岩浆底部，形成了今天的月幔。之后，密度相对小的斜长石开始结晶，并上浮堆积到岩浆顶部，冷却后形成原始的月壳。在岩浆分层、凝固时，岩浆中的钾、稀土和磷等不相容元素得以不断富集，最终形成了克里普岩。

就这样，在岩浆固化成石，火山归于沉寂后，月球最终变成了如今的荒凉之态，完成了它的成年礼。

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月球火山“延寿”8亿年

由于“岩浆洋”能够很好地解释月球早年的成长历程，科学家们基于该理论发展出一套逻辑严密的月球热演化模型，从而推导出月球表面火山活动停止的大致时间。

在传统的热演化模型之下，形成之初的月球就如同被“釜底抽薪”的热锅一样，很快就会冷却下去。中科院地质地球所特聘副研究员苏斌介绍，“月球质量是地球的约1%，具有较大的表面积-体积比和较小的内动力，形成之后应该会快速冷却，理论上大约在25亿年前停止火山活动。”

而苏联的月球号探测器和美国的阿波罗系列登月飞船，所采集到的月壤也显示：月球的主要火山活动集中在38亿-31亿年前，最年轻的月壤样品年龄则在28亿年左右。这似乎从侧面验证了热演化模型的合理性。

但是，这一观点也不是没有遇到挑战。在获得月壤之前，科学家们主要通过使用“撞击坑定年法”来估算月球表面年代——简单来说，就是统计月球表面那些大大小小的陨石坑，累计撞击次数越多的区域年代越老，反之则年代越年轻。“撞击坑定年”的结果显示：月球的风暴洋地区，存在形成于距今22亿-12亿年之间的年轻区域，也就是说月球的火山活动，可能一直持续到20亿年前这个时间尺度上，这显然与传统的热演化模型结论相悖。

▲地球、火星和月球的尺寸与火山活动持续时间对比。可以看出，星球越小，地质寿命越短（图片来源：紫金山天文台）

“月球上年轻的火山主要集中在正面的风暴洋克里普地体中，这一地区的火山活动可能在20亿年前存在一个峰值。”苏斌介绍道，“然而由于缺乏返回样品的验证，关于月球火山活动的年龄一直存在争议。”

嫦娥五号带回的月壤样本，则完美地揭示了其中的玄机。嫦娥五号的登陆点正好位于风暴洋克里普地体的东北部地区，因为选取这一地区为登陆地是很有讲究的。

苏斌介绍道：“从地球上看月球，根据颜色不同，可以分为高地和月海，月海由黑色的玄武岩组成，这些玄武岩是月幔部分融熔产生的岩浆，经火山喷发到达月表，之后凝固而成的岩石。”因为月海里的这些玄武岩是月球火山活动的产物，通过对其进行采样研究，就可以了解月表的演变过程。

月海被划分为60个玄武岩单元，按照年代从老到新依次排序，嫦娥五号登陆点位于第三年轻的玄武岩单元——这一单元的地质年龄基本接近于月球火山活动结束的时间。相比之下，苏联的月球号与美国的阿波罗着陆点都位于“静海”“丰海”等月球低纬度区域地质年代较老的地区，所采集的样本自然无法准确反映月球火山最迟在何时结束。

样品虽好，但研究起来仍不容易。一方面，使用探测器从月球千里迢迢将样本运回，成本是一笔天文数字，每一粒月壤都弥足珍贵；另一方面，“月球上没有生物学和化学风化过程、缺乏全球尺度的板块构造运动，又经历了强烈的太阳风化改造、长期遭受陨石撞击改造。这就导致月球表面的样品经过了‘千锤百炼’，通常是比较细小且混杂的，很难得到有确切地质构造信息的样品。”李金华介绍道。正因如此，传统的大样品和粉末分析法就无能为力，必须让位给更加精细的单颗粒样品研究法，从每一颗细微的月壤颗粒入手。

▲如何利用有限的珍贵样品获得尽可能多的基础数据？中科院地质所等单位协同开展研发工作，建立了一套行之有效的样品单颗粒综合分析的工作流程，对于后续的嫦娥六号月壤返回及小行星采样返回等均具有重要的参考意义（图片来源：中科院地质地球所）

李献华院士领导团队，在对嫦娥五号样品中47块玄武岩岩屑中的51颗直径在3微米以上的含锆矿物进行超高空间分辨率放射性同位素测定，并通过统计分析得出这些玄武岩颗粒的年代范围为距今20亿年左右。与此同时，中国地质调查局地质研究所北京离子探针中心研究员刘敦一的团队对获得的2克月壤样品进行研究测量，证明月球至少在19.6亿年前依然存在火山活动。这比“月球”探月任务和“阿波罗”登月任务所采集的最年轻的月壤样本还要年轻8亿岁，极大刷新了人们对月球火山历史活动的认知。李献华和刘敦一团队的相关研究分别发表在国际顶级期刊《自然》《科学》上。

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破解月球“年轻之谜”

上述研究成果，也引出了新的问题：月球这种小体量的天体，它的火山活动为什么能比理论多维持8亿年？

在嫦娥五号取样返回之前，学界对月球“保持青春”有若干解释。第一种解释支持者最多，认为在月球内部一定存在某种热源，这些热源来自多种富集的放射性元素，它们在衰变反应中不断释放热量，导致月球深层岩石升温发生熔融，从而延缓了火山岩浆的冷却。嫦娥五号所登陆的克里普地体，除了富含钾、稀土和磷等不相容元素外，还有铀、钍等放射性生热元素，因此不少专家相信在这个区域一定能找到支持这一解释的证据。

然而，现实却与推断大相径庭——中科院地质地球所研究团队根据对嫦娥五号月壤样品的同位素分析表明，这一地区的玄武岩同位素特征与克里普岩存在明显差异：其锶-钕同位素组成非常亏损，铀/铅比值更是很小，这表明该地区玄武岩的产生并非得益于克里普岩的贡献。因此，认为放射性热源是维持月球火山活动原因的假说也就不攻自破了。

另一种解释则认为，月幔中富集着大量的水，这些水会降低源区物质的熔点，使得月幔更容易发生熔融，从而延后了火山岩浆的固化速度。不少学者据此推断，月幔可能曾经非常“湿润”，这样就能解释月球火山活动的年龄问题。但科研团队使用纳米级离子探针对嫦娥五号月壤样品中的包裹体和磷灰石水-氢同位素组成进行测定后，推断月幔源区的水含量非常低。这说明在月球火山活跃时期，并没有出现月幔水导致源区熔点降低的现象，这一假说也被排除了。

▲扫描电镜与电子探针实验室工程师原江燕分析嫦娥五号月壤成分（图片来源：中科院地质地球所） 

两种主流假说先后被推翻，研究人员不得不从其他角度入手寻找答案。在对上述两个假说进行验证的过程中，研究人员总结到，月幔熔融的本质，就是月幔的温度超过“固相线”。通过升高温度和降低熔点这两种方式，就能推迟月球火山活动的结束时间。虽然研究排除了放射性热源的可能性，但月幔加热仍可以通过月球的潮汐或冲击作用实现；虽然研究否定了水分在月幔中起到的作用，但改变月幔源区的其他物质组成仍可解释其熔点变化。

“因此，破解月球火山活动的突破口，在于准确限定火山岩浆起源的温度和压力，恢复其月幔源区的物质组成。在此基础之上，与古老的‘阿波罗’玄武岩对比，重建月球热-岩浆演化模型。”苏斌这样解释道。

正是在这种大胆假设的指引下，由中科院地质地球所的陈意、苏斌等科研人员组成的团队，从嫦娥五号月壤样品中选取了27颗代表性岩屑，采用新研发的扫描电镜能谱定量面扫描技术，对岩屑的成分进行了定量分析，从而获得了样品的初始岩浆成分。在与美国“阿波罗”任务取回的玄武岩进行对比后，研究者发现，嫦娥五号玄武岩的初始岩浆中钙与钛元素含量更高——这些物质本身具有易熔的特点，能够显著降低月幔的熔点，从而有效延长月球的火山活动。原来，为月球这样的天体补充钙与钛等物质，也能起到“延年益寿”的功效。

 ▲月球不同时期岩浆及热演化示意图（图片来源：中科院地质地球所）

而根据初始岩浆成分，陈意、苏斌研究团队通过计算获得了月球研究起源的温度和压力，最终以这些数据为基础，重构了属于月球地质活动的“编年史”：距今38亿-31亿年前，月球在“大撞击”脱离地球后不久，被炽热的岩浆所覆盖，其月幔潜温高达1440摄氏度；到了距今20亿年前，月球逐步冷却，月幔潜温降到了1360度，相比前10亿年，此时月球内部温度仅降低了80度，这种降温幅度与地球早期大致相当，比此前人们想象的要缓慢不少。

“基于对嫦娥五号玄武岩的研究，我们为解释月球热演化提出了一个新的模型——尽管月球内部在持续缓慢冷却，但是随着月球岩浆洋晚期结晶的易熔组分不断加入到深部月幔，为月幔‘补钙补钛’，还降低了月幔的熔点，引发长期持续的月球火山活动。”苏斌总结道。