破案了！嫦娥五号月壤揭开月球年轻火山成因之谜

转自：中国科技网

科技日报记者 陆成宽

月球火山活动为什么持续如此之久？

10月22日，《科学进展》在线发表了嫦娥五号月壤样品的最新研究成果。我国科研人员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”，而且导致月幔熔点降低，从而克服了月球内部的缓慢冷却，引发了长期持续的月球火山作用。

月球不同时期岩浆-热演化示意图。

以前的两种解释都被排除

月球形成于约45亿年前，它的质量大约只有地球的1%。对于如此小的天体来讲，理论上它应该快速冷却而早早地停止火山活动，成为死亡星球。

然而，去年十月，我国科学家对嫦娥五号玄武岩的研究却发现，月球火山活动一直持续到20亿年前。“这不仅刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知，也提出了新的科学问题：月球火山活动为什么持续如此之久。”论文通讯作者、中国科学院地质与地球物理研究所研究员陈意告诉科技日报记者。

月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆，经火山喷发后来到月球表面冷却结晶形成的岩石。

对于持续冷却的月幔发生部分熔融这一怪事，国际学术界一般有两种可能的解释：一种解释认为，放射性元素生热导致月幔升温；另一种解释认为，加水降低月幔熔点。

让人意外的是，我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”。“这就意味着，以前提出的两种假设都不可能造成持续冷却的月幔发生部分熔融。”陈意说。

那么，到底是什么原因使得月球持续出现火山活动呢？

“破解这一谜团的前提是，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。”陈意说，在此基础上，与形成于38-31亿年前的阿波罗号玄武岩进行对比，就可以建立全新的月球岩浆-热演化模型。

事实上，要想做到这一点并不容易。嫦娥五号玄武岩从月幔源区喷发至月表的过程中，经历了一系列演化过程，玄武岩成分发生了显著的改变，如何准确恢复其初始岩浆的成分，成为了限定岩浆起源深度和温度的关键。

提出新的月球热演化模型

针对这一问题，陈意研究团队选取了27颗具有代表性的嫦娥五号玄武岩岩屑，采用了最新研发的扫描电镜能谱定量面扫描技术分析了岩屑的全岩主要成分，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，并与阿波罗号低钛玄武岩的初始岩浆进行对比，推断出了它们的起源深度和温度。

论文主要作者合照，从左至右：苏斌、陈意、原江燕。

研究发现，与古老的阿波罗低钛玄武岩相比，年轻的嫦娥五号玄武岩的初始岩浆含有更多的钙和钛，指示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，也就是月幔在二十亿年前比三十多亿年前含有更多的钙和钛。

“这部分物质恰恰是月球岩浆洋晚期结晶的产物，且具有易熔的特性，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。”陈意解释道。

同时，进一步的模拟计算结果显示，嫦娥五号玄武岩比阿波罗号玄武岩的形成温度更低，即月球内部经历十几亿年的持续冷却后，温度仅仅降低了约80摄氏度。

据此，陈意团队提出了新的月球热演化模型：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，不仅为月幔“补钙补钛”，还降低了月幔的熔点。这一月幔物质混合过程在月球长期演化历史中可能逐渐加强，有效降低月幔岩石的熔点，从而克服了月球内部的缓慢冷却，引发了长期持续的月球火山作用。

对此，陈意表示，这项研究首次限定了嫦娥五号玄武岩的起源深度和月幔源区温度，量化了月球内部缓慢冷却的热演化过程，为“月球年轻火山成因”这一重要科学问题提供了一种全新的机制，深化了我们对月球形成和热演化历史的认知。

（图片由受访者提供）