杨蔚
中国科学院地质与地球物理研究所 地球与行星物理重点实验室，北京 100029
2020年12月17日，嫦娥五号样品舱成功着陆于内蒙古四子王旗，带回1 731 g月球样品，实现中国首次地外天体采样[1]。这是中国探月工程的重要里程碑，使得中国成为继美国和苏联后第三个从月球成功采样返回的国家。
40多年前，美国阿波罗号(Apollo)和苏联月球号(Luna)已经对月球完成9次采样，中国为什么还要对月球再次采样呢？新的样品能够带来什么新的发现呢？2021年7月12日，国家航天局举行嫦娥五号任务首批月球科研样品发放仪式，向国内13所科研机构发放共17.476 4 g样品，开启了中国月球样品研究的热潮。截至目前，中国科学家已经在月壤物质组成[2-4]、月球晚期火山活动时间和性质[5-13]、月表太空风化作用[14-15]等方面取得系列原创成果，在国际学术界获得巨大的反响[16-18]。
基于不同的观测方式，人类对地外天体的认识可以分为三个阶段：天文观测，遥感或就位探测，样品返回。在样品返回后，利用最先进的技术对样品开展全面系统的分析，使得我们对该天体认识发生质的飞跃。例如，目前对于月球形成和演化的理解(图1)，几乎完全建立在对阿波罗号和月球号样品的研究基础之上，因此地外天体采样的重要性不言而喻。
最著名的例子是月球岩浆洋理论。1970年2月，在阿波罗11号首次返回样品仅半年后，岩浆洋理论就被提出[19]。通过研究阿波罗11号月壤中的1 676颗岩屑(尺寸1～5 mm)，Wood等[19]发现约有4%的颗粒是完全出乎意料的(totally unanticipated)——它们是主要由斜长石构成的斜长岩。为了解释斜长岩月壳的形成，Wood等[19]提出了岩浆洋理论：月球在形成之初，曾经经历过全球尺度的熔融，其表面覆盖了深达数百千米的岩浆形成的海洋；
随着月球冷却，橄榄石和辉石率先结晶，由于密度较大，会下沉堆积在岩浆洋底部，形成原始月幔；
当岩浆洋结晶达到60%～70%时，斜长石开始结晶，由于密度小，会上浮堆积在岩浆洋顶部，形成原始的斜长岩月壳(图2)。岩浆洋理论也能够解释克里普(KREEP)岩的形成：在岩浆洋固化的最晚期(＞99%)，残留岩浆中的不相容元素含量不断升高，最终在月幔与月壳之间形成极富钾(K)、稀土(RE)、磷(P)等元素的克里普岩(图2)。
图1(a)月球形成和演化的时间线，LMO代表月球岩浆洋，KREEP代表克里普；
(b)月海玄武岩单元及其撞击坑模式年龄；
(c)月球表面钍元素的含量分布(1 ppm=10-6)。绿色圆点代表美国阿波罗号采样位置，蓝色圆点代表苏联月球号采样位置，红色圆点代表嫦娥五号采样位置(修改自文献[17])
图2 月球岩浆洋模型示意图
另一个例子是月球形成的大撞击理论[20]。它认为原始地球遭受了一个火星大小的星子忒伊亚(Theia)的撞击，撞击溅射物围绕地球吸积形成了月球(图3)。月球的成因曾存在长期争论，相关的理论包括捕获说、分裂说等，但在阿波罗号返回样品之后，这些学说全部被排除，新的理论被提出。月球样品的研究表明，月球整体上相对于地球是贫铁的，同时极度亏损挥发性元素。这些观察结果不可能被其他学说解释，却能够很好地被大撞击理论解释。如：碰撞后产生的巨大热量使挥发性元素迅速逃逸，导致月球挥发性元素亏损；
原始忒伊亚的铁核主要进入了地核，导致月球整体上相对于地球贫铁。此外，大撞击产生的巨大能量也为岩浆洋的形成提供了一个可靠的能量来源[21]。
除了月球形成和岩浆洋演化外，月球其他重大历史事件的研究也离不开月球样品。一方面，由于没有大气圈和水圈的风化作用，月球表面保留了完整的陨石撞击记录，是研究太阳系撞击历史的绝佳对象。科学家基于阿波罗号样品获得的绝对同位素年龄，建立了撞击坑定年方法，为理解太阳系其他天体的地质演化提供了时间标尺[22]。另一方面，科学家对月海玄武岩的研究，揭示了月球深部的物质组成及其随时间的演化特征，为理解月球的热演化历史提供了重要制约[23]。
图3 月球形成的大撞击理论模型示意图
尽管美国和苏联已经对月球进行了9次采样，但采样区主要集中在正面的低纬度地区(图1)，覆盖的面积不足月球表面积的8%。受限于此，月球形成和演化的诸多重要科学问题尚无法回答，如月球形成年龄、岩浆洋固结时间、火山活动持续时间、古磁场及强度、太阳系早期(最初10亿年)撞击历史，等等[24]。因此，月球科学研究还需要更多的月球样品。在这样的背景下，嫦娥五号再次出发前往月球取土，其着陆点位于风暴洋的北部(43.06°N，51.92°W)[25]，远离美国阿波罗号和苏联月亮号的采样区，具有独特的地质背景[26-36]。
根据月球表面的形貌和光谱，月海玄武岩被划分为不同的单元(图4(a))[37]。嫦娥五号着陆区位于P58月海玄武岩单元内[38]。P58指的是在风暴洋60个玄武岩单元中年龄从老到新排行第58的玄武岩单元，换而言之，它是风暴洋第3年轻的玄武岩单元(图4(b))，其年龄与最年轻的玄武岩单元很接近。这意味着P58玄武岩单元的年龄基本可以代表月球火山活动的结束时间。
图4(a)月海玄武岩单元的分布及其撞击坑定年年龄，红色圆点代表嫦娥五号采样位置；
(b)月海玄武岩单元撞击坑定年年龄的统计直方图，红色圆点代表嫦娥五号所在的P58月海玄武岩单元，它很接近月球最年轻的玄武岩单元之一(修改自文献[37])
除了在年龄上很可能是最年轻的之外，嫦娥五号着陆区的玄武岩在化学成分上也非常独特。例如：遥感光谱所获得的着陆区TiO2的含量为5%～8%(质量分数)[30]，而过去很少采集到具有中等TiO2含量的玄武岩(图5)。阿波罗号和月球号采集的玄武岩在TiO2含量上呈现明显的低钛(质量分数为1%～4%)和高钛(质量分数为9%～13%)双峰式分布，这种分布与遥感观测的月海玄武岩TiO2分布并不吻合(图5)。这种差异反映了过去的采样偏差，即过多地采集了高TiO2含量的玄武岩，但对中等TiO2含量的玄武岩采集较少[39]，而嫦娥五号可以在一定程度上弥补此前阿波罗号和月球号的采样偏差。
图5(a)阿波罗号和月球号玄武岩样品TiO2含量直方图；
(b)月海TiO2含量直方图。橙色区域为嫦娥五号着陆区遥感光谱所获得的TiO2含量(修改自文献[39])
嫦娥五号着陆区的另一个显著特征是高Th含量(图1(c))。中子谱探测的结果显示，着陆区Th含量高达5.0～8.5 ppm(1 ppm=10-6)[30]，高于阿波罗号和月球号玄武岩的0.2～3.9 ppm[40]。这种高Th含量通常被认为与克里普物质相关[41]，但是遥感探测反映的是月壤的平均组成，而月壤的物质来源通常比较复杂。研究表明，嫦娥五号着陆区月壤可能包含了10%～40%的撞击溅射物[30,35-36,42]。因此，嫦娥五号着陆区的这种高Th含量特征是否来自原地的玄武岩[43]，以及玄武岩是否与克里普物质相关，还有待样品的验证。
综上所述，嫦娥五号采样点位于月球最年轻的月海玄武岩单元之一，遥感探测表明其化学组成较独特，如中等TiO2含量和高Th含量，很有可能代表了一种新的月海玄武岩。对于嫦娥五号月壤的研究，将很有可能解开月球晚期火山活动之谜。
由于月球的质量仅有地球的1.2%，热演化模拟结果表明，在其形成之后很快就会冷却固化，火山活动理应在25亿年前就停止了[44]。然而，撞击坑定年显示，嫦娥五号着陆区所在的P58玄武岩单元很可能形成于12亿～22亿年前[27,29-30,33,37,45]。首先，该玄武岩的精确形成时间还需要对月壤中的玄武岩岩屑进行同位素定年；
其次，如果它真的如此年轻，那么，就引发了另外一个问题：为什么这一区域火山活动可以持续如此之久？
导致月幔发生熔融形成火山活动有三种可能的方式：①加热，即深部存在热源，如富集克里普物质，具有高U、Th、K等放射性元素的特点，放射性衰变反应持续释放热量，导致深部岩石升温发生熔融；
②减压熔融，即深部物质上涌，因压力的释放导致岩石熔点降低，从而发生熔融；
③富含挥发分，即挥发分物质的加入导致岩石熔点降低，从而发生熔融。
月球晚期火山活动在分布上与高Th含量具有一定的相关性，因此，富含克里普物质提供的放射性热量通常被认为是维持月球长时间火山活动的主要原因[46-47]，但是这一观点并未得到样品的直接验证。嫦娥五号样品采自接近月球最年轻的玄武岩单元，为解开月球长时间火山活动之谜提供了线索。
3.1 月壤样品和玄武岩岩屑
嫦娥五号采集的并不是玄武岩，而是覆盖在玄武岩基岩之上的月壤。月壤是月球表土的细粒部分(图6)，其物质来源极为复杂，既包含下覆基岩的贡献，也包含撞击作用带来的深部或远处的溅射物[48]。因此，科学家首先需要从月壤中分选出玄武岩岩屑颗粒。
图6 月壤的太空风化作用及对内部物质组分继承的示意图(引自文献[46])
研究发现，嫦娥五号月壤具有较低的Al2O3(10.8%)和CaO(11%)含量，较高的FeO(22.5%)含量，明显不同于斜长质月壳和克里普岩，而类似于月海玄武岩，说明其物源主要是月海玄武岩。从月壤中分选的较大颗粒，主要包括如下几种类型：玄武岩岩屑、角砾岩、黏结物(agglutinate)和玻璃等[4]。玄武岩岩屑主要由单斜辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿等矿物构成，从结构上，可以被分为嵌晶结构、辉绿/次辉绿结构、斑状结构和等粒结构(图7)。玄武岩的结构通常与初始岩浆的成分、温度以及冷却结晶的速率相关[49]，那么，这些具有不同结构的玄武岩岩屑是否存在成因上的联系呢？
尽管4种类型的玄武岩岩屑在结构上存在较大的差异，但是它们在矿物化学成分上非常相似，而且辉石、橄榄石和长石都具有相同的变化范围和成分演化趋势(图8)。例如，不同类型的玄武岩岩屑，其辉石的Ti和Al的摩尔浓度都符合1∶2的相关性(图8(b))，说明这些辉石很可能形成于同一次冷却事件，而矿物粒径和结构差异来自处于熔岩流不同位置冷却速率的差异[5]。这一结论也得到了Pb-Pb定年和Sr-Nd同位素结果的支持，研究发现这些玄武岩不仅具有相同的形成年龄[6,9]，而且具有类似的Sr-Nd同位素组成[5]。这也意味着嫦娥五号月壤中的玄武岩岩屑均来自其下覆的P58玄武岩单元。
图7嫦娥五号月壤中玄武岩岩屑的4种主要结构：(a)嵌晶结构；
(b)次辉绿结构；
(c)斑状结构；
(d)等粒结构。Cpx，单斜辉石；
Pl，斜长石；
Ol，橄榄石；
Ilm，钛铁矿；
Spl，尖晶石；
Tro，陨硫铁；
Crs，方石英(引自文献[5])
图8嫦娥五号玄武岩的矿物化学成分：(a) 辉石成分四边形图；
(b) 辉石Ti/Al图；
(c) 橄榄石成分图；
(d) 长石成分三角图(修改自文献[5])
3.2 定位含锆矿物和测定同位素年龄
同位素年代学是理解月球形成和演化的重要基础，但对珍贵稀少且尺寸微细的月壤颗粒进行高精度同位素定年绝非易事。目前，最精确的方法是离子探针Pb-Pb定年法[50]。在月海玄武岩中，最佳的Pb-Pb定年矿物是富Zr矿物，如斜锆石、钙钛锆石、静海石等，但是这些富Zr矿物的尺寸普遍较小(＜5 μm)，这导致两个技术难点：第一，如何寻找并定位富Zr颗粒；
第二，如何实现超高空间分辨率Pb-Pb定年。针对第一个难点，Li等[51]利用显微X-射线荧光光谱技术(μXRF)和三维X-射线显微镜(3D-XRM)结构成像技术，建立了快速筛选富Zr颗粒的方法。针对第二个难点，Liu等[52]在离子探针上建立了超高空间分辨率(2～3 μm)定年方法。
利用上述两项技术，Li等[9]对嫦娥五号月壤中全部4种类型的玄武岩岩屑进行了Pb-Pb定年。结果显示，不同结构的玄武岩给出了一致的Pb-Pb等时线，所获得的Pb-Pb年龄在误差范围内一致(图9)，进一步支持这些玄武岩形成于同一次冷却结晶事件。统计分析全部47个玄武岩岩屑的Pb-Pb定年结果，其富Zr矿物精确限定的玄武岩形成年龄为20.30亿年±0.04亿年。这一结果与Che等[6]所报道的另外两颗嫦娥五号玄武岩的年龄(20.1亿年±0.5亿年)在误差范围内一致[11]，共同指示嫦娥五号着陆区所在的P58玄武岩单元形成于20亿年前，该结果比阿波罗号样品和月球陨石限定的月球火山活动结束时间晚8亿年。
嫦娥五号玄武岩的精确年龄为撞击坑定年曲线提供了关键的锚点。此前，对P58玄武岩单元的撞击坑定年结果存在较大的差异，变化范围为12亿～22亿年[27,29-31,33,37,45]，主要原因是10亿～30亿年之间缺少定标点(图10)。嫦娥五号玄武岩恰好填补了此空白区。Yue等[53]基于其年龄建立了新的撞击通量函数，对定年结果的修正最大可达到2亿年(图10)，为理解月球演化和内太阳系撞击历史提供了更加精确的时间标尺。
图9嫦娥五号月壤中4种结构玄武岩岩屑的定年结果：(a) 嵌晶结构；
(b) 斑状结构；
(c) 次辉绿结构；
(d) 等粒结构(修改自文献[9])
图10基于嫦娥五号玄武岩年龄建立的新撞击通量函数：(a) 新旧函数的对比；
(b) 新旧函数所获得模式年龄的差异(修改自文献[53])
3.3 月球长时间火山活动之谜
在确定了嫦娥五号玄武岩的年龄后，紧接着的问题是为何月球在20亿年前仍然存在火山活动。如前所述，导致月幔熔融存在多种可能，其中有两种相对容易验证的可能性：①玄武岩源区富含的克里普物质持续放射性生热，维持了月球长时间火山活动[46-47]；
②玄武岩源区富含挥发分，导致月幔熔点降低，从而诱发了火山活动。
要验证第一种可能性，需要借助放射性同位素，如Sr、Nd、Pb等。这些同位素可以类比成岩石的“基因”，来源不同的玄武岩具有不同的同位素组成。激光等离子体质谱分析结果表明，嫦娥五号玄武岩的Sr-Nd同位素组成与克里普物质显著不同(图11)，克里普组分的贡献不足0.5%[5]。这一结果排除了月幔富含放射性生热元素因而维持月球长时间火山活动的主流假说。
图11嫦娥五号玄武岩Sr-Nd同位素特征。嫦娥五号玄武岩Sr-Nd同位素与克里普物质具有显著的差异，计算表明，克里普组分的贡献不足0.5%(修改自文献[5])
要验证第二种可能性，需要估算嫦娥五号玄武岩源区的水含量。利用纳米离子探针分析玄武岩岩屑的磷灰石和熔融包裹体中水含量和H同位素，然后考虑岩浆过程所造成的水含量变化，估算出月幔源区的水含量仅为1～5 g/t，低于阿波罗号样品和月球陨石估算的月幔水含量(图12)。这一结果表明，嫦娥五号玄武岩的月幔源区非常“干”，月球晚期火山活动的原因也不是源区富含水从而降低了熔点。
图12 月幔水含量随时间演化。嫦娥五号玄武岩源区的水含量低于阿波罗和月球陨石估算的月幔水含量(修改自文献[7])
综上所述，对嫦娥五号月壤中的玄武岩岩屑的研究揭示了月球20亿年前曾发生过火山活动。尽管其诱发机制尚不清楚，但可以排除两个主流假说：富克里普物质提供了额外热量导致月幔熔融，或富水源区降低了熔点。月球长时间火山活动之谜仍未完全解开。是否存在某种机制使得月球的冷却比预期的更慢，或存在月幔对流导致减压熔融？这些可能性还需要未来逐一去验证。
尽管阿波罗号和月球号已经完成了9次月球采样，嫦娥五号月球样品的研究仍然能够带来颠覆性的科学发现。嫦娥五号样品研究才刚刚起步，未来还将有更多激动人心的发现，解开更多的月球之谜，如20亿年前月球是否存在磁场，中纬度太空风化作用有何不同，其对月表水有多大的贡献，等等。
与此同时，对于月球样品的研究也极大地牵引了显微分析技术的发展[54]。这些先进分析技术不仅可以应用于月球样品，还可以应用于其他地外样品。在不久的未来，中国将实现嫦娥六号月球南极采样、天问二号小行星采样，并正在计划火星采样。中国的行星科学研究正在开启新的篇章，迎来样品时代。新样品必将带来新发现，新发现必将催生新理论，从而为我们解开更多太阳系和行星演化的秘密。
(2022年6月7日收稿)
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