前期研究認(rèn)為月球的火山活動(dòng)早已停止

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)阿波羅（Apollo）計(jì)劃和前蘇聯(lián)月球號(hào)（Luna）共返回了9次月球樣品，即使加上收集到的所有月球隕石，這些月球樣品所測(cè)定的巖石年齡基本都大于30億年。作為一顆質(zhì)量小的星體，月球自身的熱量理論上會(huì)較快散失。如果將巖漿比作星球的血液，那么月球的“血液”會(huì)較快凝固，成為一顆地質(zhì)生命力喪失的死亡星球（Dead planet）。早期的認(rèn)知是月球大約在30億年前就已經(jīng)停止了巖漿活動(dòng)。

2021年，對(duì)我國(guó)嫦娥五號(hào)帶回的月壤樣品中玄武巖碎屑的精確定年結(jié)果表明：月球在20億年前仍然存在較大規(guī)模的巖漿活動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)將月球的地質(zhì)生命延長(zhǎng)了約10億年，對(duì)傳統(tǒng)的月球演化模型提出了挑戰(zhàn)。雖然嫦娥五號(hào)帶回的樣品為月球的研究提供了新的信息，但是總共10次的采樣返回任務(wù)僅僅覆蓋了月球表面非常小的范圍。這些返回樣品的代表性仍是有限的。

月球的火山活動(dòng)真的早就停止了嗎？

還有更年輕的巖漿活動(dòng)嗎？對(duì)月海環(huán)形穹狀構(gòu)造（lunar mare ring-moat dome structures）的地貌學(xué)觀察和撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年結(jié)果顯示：月球在晚哥白尼紀(jì)（8億年前至今）可能仍存在火山活動(dòng)。不規(guī)則月海斑塊（IMPs，Irregular mare patches）是月球表面一種特殊的地形構(gòu)造，以多孔結(jié)構(gòu)及撞擊坑較少為特征，一些學(xué)者認(rèn)為IMPs可能是非常晚的火山活動(dòng)產(chǎn)物，其火山活動(dòng)時(shí)間甚至可能是一億年前的。

如果1億年前月球上真的還有火山活動(dòng)，我們應(yīng)該去哪里找樣品去檢驗(yàn)這一假說(shuō)？像在地球上一樣大范圍地跑區(qū)測(cè)、找樣品的成本太高了。難道只能等著某一次的任務(wù)去探測(cè)這些可能具有年輕火山活動(dòng)的區(qū)域，然后從帶回來(lái)的樣品里去找可能存在的年輕樣品嗎？

可以揭示月球火山活動(dòng)的物質(zhì)——月壤里的火山玻璃珠

不如我們換一個(gè)思路：火山活動(dòng)的產(chǎn)物可不只有巖石。除了巖漿活動(dòng)形成的火山巖外，火山噴發(fā)還能產(chǎn)生火山碎屑，其中包含火山玻璃珠。

玻璃珠是巖漿快速冷凝的產(chǎn)物，有火山和沖擊兩種來(lái)源的玻璃珠（圖1）。

圖1 嫦娥五號(hào)樣品中的玻璃珠

（圖片版權(quán)：中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）

富集揮發(fā)分的巖漿在上升過(guò)程中，由于壓力降低，揮發(fā)分會(huì)以氣體的形式從巖漿中脫離出來(lái)。隨著去氣作用的不斷發(fā)生，巨大的壓力會(huì)在地下巖漿的上方形成一個(gè)氣倉(cāng)。在月表以下幾百米處，少量巖漿會(huì)在這個(gè)致密的氣倉(cāng)里形成氣溶膠，部分會(huì)凝結(jié)成非常小的顆粒懸浮在氣倉(cāng)中。當(dāng)氣壓累積到一定的程度，距離月表很近的氣倉(cāng)會(huì)爆炸。氣溶膠和懸浮顆粒會(huì)爆發(fā)式噴出月表后快速冷卻，形成火山玻璃珠（圖2）。

圖2 火山玻璃珠的形成模式圖

（繪圖：萬(wàn)有博物書(shū)店 張婷 王煜）

這些火山玻璃珠由于質(zhì)量和體積都很小，一般只有幾十到幾百微米，其飛行距離可以非常遠(yuǎn)。同時(shí)，月球上廣泛存在的隕石撞擊會(huì)使其更容易運(yùn)移到更遠(yuǎn)的地方。與火山巖比，這些火山玻璃運(yùn)移的距離更遠(yuǎn)，分布更廣泛。返回的月壤樣品中發(fā)現(xiàn)火山玻璃珠，尤其是遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的火山玻璃珠的可能性可能更大。如果發(fā)現(xiàn)了火山玻璃珠，就可以進(jìn)一步對(duì)月球巖漿活動(dòng)歷史進(jìn)行制約。

如何識(shí)別月壤中的火山玻璃珠？

理想是美好的，但是現(xiàn)實(shí)是殘酷的。首先，正如前文提到的，這些火山玻璃珠非常小，要找到它們本來(lái)就是大海撈針。其次，月球上最明顯的特征是充滿了隕石撞擊坑，這是大大小小的隕石在以約20公里/秒的速度撞擊到月球表面形成的。高能量的沖擊作用會(huì)使月表巖石或月壤發(fā)生熔融，形成沖擊玻璃珠（圖3）。

圖3 沖擊玻璃珠的形成模式圖

（繪圖：萬(wàn)有博物書(shū)店 張婷 王煜）

這些沖擊玻璃珠數(shù)量在月壤中的含量更高。海量的沖擊玻璃珠對(duì)火山玻璃珠的識(shí)別形成了巨大的障礙。最后，由于火山玻璃和沖擊玻璃的外表和成分都有相似之處，準(zhǔn)確識(shí)別火山玻璃珠一直是一件困難的事。嫦娥五號(hào)著陸區(qū)附近并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)火山活動(dòng)。因此，其返回樣品中是否存在火山玻璃本身就是不確定的。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所的研究人員在大約3克的嫦娥五號(hào)月壤中挑選出了約3000顆玻璃珠。通過(guò)前人在研究阿波羅樣品的玻璃珠時(shí)給出的玻璃珠成因判別標(biāo)準(zhǔn)，研究人員對(duì)這3000顆玻璃珠進(jìn)行了初篩。

（1）排除具有沖擊特征結(jié)構(gòu)的玻璃珠（3000顆→800顆）

首先，如果玻璃珠中存在沒(méi)有完全熔融的殘留礦物包裹體，那必然是沖擊成因的。電子背散射圖像（BSE）分析結(jié)果顯示：這樣的玻璃珠占到了73%以上。

（2）通過(guò)主量元素識(shí)別可能具有火山來(lái)源的玻璃珠（800顆→13顆）

其次，通過(guò)對(duì)阿波羅火山玻璃的成分分析，前人提出了通過(guò)主量元素識(shí)別火山玻璃的標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究人員對(duì)剩余的~800顆沒(méi)有明顯包裹體的、成分較均勻的玻璃珠進(jìn)行了電子探針（EPMA）成分分析，遴選出13顆化學(xué)組成符合判別標(biāo)準(zhǔn)的候選顆粒。

（3）通過(guò)微量元素識(shí)別具有巖漿演化特征的玻璃珠（13顆→6顆）

微量元素，尤其是鎳(Ni)元素，由巖漿演化而來(lái)的組分其Ni含量與MgO含量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，而月壤中存在高Ni含量隕石的殘留組分，這使得沖擊玻璃通常具有高Ni含量特點(diǎn)。因此，研究人員通過(guò)離子探針（SIMS）對(duì)這13顆玻璃珠進(jìn)行了微量元素分析，進(jìn)一步篩選出6顆符合微量元素判別標(biāo)準(zhǔn)的候選“火山玻璃珠”。

然而，一顆火山玻璃珠必然會(huì)具有上述特征。但是具有上述特征的玻璃珠不一定是火山玻璃珠。這些必要非充分條件可以幫助我們篩選可能是火山成因的玻璃珠。但是，要充分判斷一個(gè)玻璃珠的火山成因，還需要更有力證據(jù)的支持。

（4）通過(guò)硫同位素值最終敲定火山玻璃珠（6顆→3顆）

元素的同位素特征帶有樣品的“指紋”信息，可以記錄源區(qū)信息和改造過(guò)程。硫（S）元素是一種中等揮發(fā)性元素。在玻璃珠的形成過(guò)程中，硫元素會(huì)不斷揮發(fā)，但是又不至于全部丟失，因此可以記錄火山玻璃珠形成過(guò)程中的去氣作用。硫元素有4個(gè)穩(wěn)定的同位素（32S,33S,34S,36S），其中32S占到約95%，34S約4.2%。在去氣的過(guò)程中，不同質(zhì)量的同位素具有不同的丟失速率，導(dǎo)致最終形成的玻璃珠中34S/32S比值與初始巖漿存在不同，即同位素產(chǎn)生了分餾。

國(guó)際上以美國(guó)亞利桑那鐵隕石中隕硫鐵(FeS)的34S/32S同位素比值為標(biāo)準(zhǔn)，其它樣品相對(duì)這個(gè)值的偏差用來(lái)表示其硫同位素值（δ34S）。當(dāng)前文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的，以及本研究獲得的月球樣品的δ34S值見(jiàn)圖4。

圖4 月球樣品中的硫同位素分餾特征

（Wang et al., 2024, Science）

月球火成巖及隕硫鐵的δ34S值均在0‰附近。以此為物源的火山玻璃珠δ34S值為負(fù)值，且與S含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即S含量越低δ34S值越負(fù)。前人的研究顯示：在還原條件下，火山玻璃在地下高壓的氣倉(cāng)中去氣時(shí)，34S丟失得更快。另一方面，撞擊形成的月球風(fēng)化殼具有顯著偏正的δ34S值，說(shuō)明撞擊風(fēng)化過(guò)程中32S丟失得更快。理論上，以富含重硫同位素的風(fēng)化殼為原材料，并且在撞擊熔融過(guò)程中再次丟失硫的沖擊玻璃珠，其硫同位素應(yīng)該更重。這與還原條件下形成的月球火山玻璃珠將會(huì)形成明顯的區(qū)別。如果一個(gè)玻璃珠具有負(fù)的δ34S值，則應(yīng)該是火山作用形成的。

月球火山玻璃珠和沖擊玻璃珠δ34S值的差別

為驗(yàn)證這個(gè)猜想，研究人員使用中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的離子探針（CAMECA IMS-1280），從成分均勻的沖擊玻璃珠中隨機(jī)挑選了近100顆進(jìn)行S同位素分析。研究結(jié)果顯示：所有的沖擊玻璃珠均存在S同位素偏重的特征，且δ34S值和S含量呈負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)，符合上述理論預(yù)測(cè)結(jié)果（圖5）。

在對(duì)篩選出的6顆候選火山玻璃珠進(jìn)行S同位素分析后，研究發(fā)現(xiàn)有3顆玻璃珠的δ34S值在?12.3‰到?9.5‰之間，具有負(fù)δ34S值特征。綜合結(jié)構(gòu)特征-主量元素-微量元素-同位素組成的多方面判據(jù)，可以判定這三顆為火山成因的玻璃珠（圖5）。

圖5 CE-5玻璃珠和Apollo火山玻璃珠的S含量及同位素特征

（Wang et al., 2024, Science）

值得一提的是這三顆火山玻璃的邊緣存在一些微米級(jí)別的鐵顆粒。對(duì)其進(jìn)行能譜分析發(fā)現(xiàn)具有非常低的Ni含量，這和沖擊玻璃中通常具有的高Ni含量的鐵顆粒是不同的。這些鐵顆粒的存在說(shuō)明火山玻璃的形成環(huán)境確實(shí)是還原性質(zhì)的。

1.2億年前月球還有火山活動(dòng)！

為了對(duì)月球火山活動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的約束，研究人員通過(guò)離子探針對(duì)這三顆火山玻璃進(jìn)行了U-Pb同位素體系的定年。出乎意料的是，這些火山玻璃珠的年齡是123±15Ma（Ma即百萬(wàn)年前），即大約1.2億年前形成的（圖6）。

為了排除后期撞擊作用改造的影響，研究人員從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)一步分析：一是這三顆玻璃珠相對(duì)完整，僅第三顆是發(fā)生脆性斷裂后留下的部分，沒(méi)有被顯著沖擊改造的痕跡；二是這三顆玻璃珠中，揮發(fā)性與鉛（Pb）元素類似的銣（Rb）元素的含量顯著高于其它沖擊玻璃珠。證明這三顆玻璃珠沒(méi)有發(fā)生顯著的Rb丟失，指示Pb也沒(méi)有受到顯著影響；三是它們的硫同位素顯著偏負(fù)，與撞擊丟失導(dǎo)致硫同位素向偏重的分餾特征不符，缺乏沖擊改造特征。因此，123±15Ma就是三顆火山玻璃的形成時(shí)間，代表了月球上這一時(shí)期還存在火山活動(dòng)。

圖6 三顆嫦娥五號(hào)火山玻璃珠的BSE圖像及U-Pb定年結(jié)果

（Wang et al., 2024, Science）

新的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)了更多的問(wèn)題

產(chǎn)生如此年輕的月球火山活動(dòng)的機(jī)制是什么？這三顆火山玻璃的化學(xué)組成可以為我們提供一定的源區(qū)特征信息。它們顯著富集Na2O, K2O, P2O5以及稀土等不相容元素，表明其源區(qū)存在較高比例的KREEP（鉀+稀土+磷）組分。是否是因?yàn)楦籏REEP組分的源區(qū)具有較多的放射性元素，衰變生熱導(dǎo)致月幔產(chǎn)生局部熱異常，從而引發(fā)物質(zhì)的部分熔融產(chǎn)生巖漿并噴出地表?

這些KREEP組分是來(lái)自巖漿洋演化晚期的殘余物（urKREEP），還是來(lái)自類似嫦娥五號(hào)玄武巖這種經(jīng)歷高程度演化而富集不相容元素但滯留在月幔的巖漿？

這些年輕的火山玻璃珠是從哪里來(lái)的？

巖漿的再活躍是否是由于撞擊產(chǎn)生的？

20億年到1億年之間是否存在未被發(fā)現(xiàn)的火山活動(dòng)？

是否還有更年輕的火山活動(dòng)？

這些問(wèn)題必然會(huì)引起諸多的猜想，也會(huì)成為相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

嫦娥五號(hào)返回了1731克樣品，已經(jīng)起到了一石激起千層浪的效果。嫦娥六號(hào)首次帶回來(lái)的月球背面樣品必將帶來(lái)更多的驚喜，期待更多的新觀測(cè)，逐漸揭開(kāi)月球的神秘面紗。

研究成果2024年9月6日在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science（王碧雯?，張謙?，陳意，趙文昊，劉宇，唐國(guó)強(qiáng)，馬紅霞，蘇斌，惠鶴九，John W. Delano，吳福元，李獻(xiàn)華，何雨旸*，李秋立*. Returned samples indicate volcanism on the Moon 120 million years ago.Science, 2024, vol.385，issue 6713, PP1077-1080, DOI: 10.1126/science.adk6635）。該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金（42225301，42241105）、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目（XDB0710000）、中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-202101，IGGCAS-202204）和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20220294）共同資助。

工作主要貢獻(xiàn)者

（左起：張謙 李秋立 何雨旸 王碧雯）

（攝影：任暉）

美編：趙茹昕

校對(duì)：劉 強(qiáng)