桂龙网2024-10-17 05:05:50发布:嫦娥五号火山玻璃珠揭示月球12亿年前仍存在火山活动

从20世纪60年代开始，美国阿波罗（Apollo）计划和前苏联月球号（Luna）共返回了9次月球样品，即使加上收集到的所有月球陨石，这些月球样品所测定的岩石年龄基本都大于30亿年。作为一颗质量小的星体，月球自身的热量理论上会较快散失。如果将岩浆比作星球的血液，那么月球的“血液”会较快凝固，成为一颗地质生命力丧失的死亡星球（Dead planet）。早期的认知是月球大约在30亿年前就已经停止了岩浆活动。

2021年，对我国嫦娥五号带回的月壤样品中玄武岩碎屑的精确定年结果表明：月球在20亿年前仍然存在较大规模的岩浆活动。这一发现将月球的地质生命延长了约10亿年，对传统的月球演化模型提出了挑战。虽然嫦娥五号带回的样品为月球的研究提供了新的信息，但是总共10次的采样返回任务仅仅覆盖了月球表面非常小的范围。这些返回样品的代表性仍是有限的。

月球的火山活动真的早就停止了吗？

还有更年轻的岩浆活动吗？对月海环形穹状构造（lunar mare ring-moat dome structures）的地貌学观察和撞击坑统计定年结果显示：月球在晚哥白尼纪（8亿年前至今）可能仍存在火山活动。不规则月海斑块（IMPs，Irregular mare patches）是月球表面一种特殊的地形构造，以多孔结构及撞击坑较少为特征，一些学者认为IMPs可能是非常晚的火山活动产物，其火山活动时间甚至可能是一亿年前的。

如果1亿年前月球上真的还有火山活动，我们应该去哪里找样品去检验这一假说？像在地球上一样大范围地跑区测、找样品的成本太高了。难道只能等着某一次的任务去探测这些可能具有年轻火山活动的区域，然后从带回来的样品里去找可能存在的年轻样品吗？

可以揭示月球火山活动的物质——月壤里的火山玻璃珠

不如我们换一个思路：火山活动的产物可不只有岩石。除了岩浆活动形成的火山岩外，火山喷发还能产生火山碎屑，其中包含火山玻璃珠。

玻璃珠是岩浆快速冷凝的产物，有火山和冲击两种来源的玻璃珠（图1）。

图1 嫦娥五号样品中的玻璃珠

（图片版权：中国科学院地质与地球物理研究所）

富集挥发分的岩浆在上升过程中，由于压力降低，挥发分会以气体的形式从岩浆中脱离出来。随着去气作用的不断发生，巨大的压力会在地下岩浆的上方形成一个气仓。在月表以下几百米处，少量岩浆会在这个致密的气仓里形成气溶胶，部分会凝结成非常小的颗粒悬浮在气仓中。当气压累积到一定的程度，距离月表很近的气仓会爆炸。气溶胶和悬浮颗粒会爆发式喷出月表后快速冷却，形成火山玻璃珠（图2）。

图2 火山玻璃珠的形成模式图

（绘图：万有博物书店张婷王煜）

这些火山玻璃珠由于质量和体积都很小，一般只有几十到几百微米，其飞行距离可以非常远。同时，月球上广泛存在的陨石撞击会使其更容易运移到更远的地方。与火山岩比，这些火山玻璃运移的距离更远，分布更广泛。返回的月壤样品中发现火山玻璃珠，尤其是远距离搬运的火山玻璃珠的可能性可能更大。如果发现了火山玻璃珠，就可以进一步对月球岩浆活动历史进行制约。

如何识别月壤中的火山玻璃珠？

理想是美好的，但是现实是残酷的。首先，正如前文提到的，这些火山玻璃珠非常小，要找到它们本来就是大海捞针。其次，月球上最明显的特征是充满了陨石撞击坑，这是大大小小的陨石在以约20公里/秒的速度撞击到月球表面形成的。高能量的冲击作用会使月表岩石或月壤发生熔融，形成冲击玻璃珠（图3）。

图3 冲击玻璃珠的形成模式图

（绘图：万有博物书店张婷王煜）

这些冲击玻璃珠数量在月壤中的含量更高。海量的冲击玻璃珠对火山玻璃珠的识别形成了巨大的障碍。最后，由于火山玻璃和冲击玻璃的外表和成分都有相似之处，准确识别火山玻璃珠一直是一件困难的事。嫦娥五号着陆区附近并没有发现火山活动。因此，其返回样品中是否存在火山玻璃本身就是不确定的。

中国科学院地质与地球物理所的研究人员在大约3克的嫦娥五号月壤中挑选出了约3000颗玻璃珠。通过前人在研究阿波罗样品的玻璃珠时给出的玻璃珠成因判别标准，研究人员对这3000颗玻璃珠进行了初筛。

（1）排除具有冲击特征结构的玻璃珠（3000颗→800颗）

首先，如果玻璃珠中存在没有完全熔融的残留矿物包裹体，那必然是冲击成因的。电子背散射图像（BSE）分析结果显示：这样的玻璃珠占到了73%以上。

（2）通过主量元素识别可能具有火山来源的玻璃珠（800颗→13颗）

其次，通过对阿波罗火山玻璃的成分分析，前人提出了通过主量元素识别火山玻璃的标准。因此，研究人员对剩余的~800颗没有明显包裹体的、成分较均匀的玻璃珠进行了电子探针（EPMA）成分分析，遴选出13颗化学组成符合判别标准的候选颗粒。

（3）通过微量元素识别具有岩浆演化特征的玻璃珠（13颗→6颗）

微量元素，尤其是镍(Ni)元素，由岩浆演化而来的组分其Ni含量与MgO含量呈现正相关趋势，而月壤中存在高Ni含量陨石的残留组分，这使得冲击玻璃通常具有高Ni含量特点。因此，研究人员通过离子探针（SIMS）对这13颗玻璃珠进行了微量元素分析，进一步筛选出6颗符合微量元素判别标准的候选“火山玻璃珠”。

然而，一颗火山玻璃珠必然会具有上述特征。但是具有上述特征的玻璃珠不一定是火山玻璃珠。这些必要非充分条件可以帮助我们筛选可能是火山成因的玻璃珠。但是，要充分判断一个玻璃珠的火山成因，还需要更有力证据的支持。

（4）通过硫同位素值最终敲定火山玻璃珠（6颗→3颗）

元素的同位素特征带有样品的“指纹”信息，可以记录源区信息和改造过程。硫（S）元素是一种中等挥发性元素。在玻璃珠的形成过程中，硫元素会不断挥发，但是又不至于全部丢失，因此可以记录火山玻璃珠形成过程中的去气作用。硫元素有4个稳定的同位素（³²S,³³S,³⁴S,³⁶S），其³²S占到约95%，³⁴S约4.2%。在去气的过程中，不同质量的同位素具有不同的丢失速率，导致最终形成的玻璃珠中³⁴S/³²S比值与初始岩浆存在不同，即同位素产生了分馏。

国际上以美国亚利桑那铁陨石中陨硫铁(FeS)的³⁴S/³²S同位素比值为标准，其它样品相对这个值的偏差用来表示其硫同位素值（δ³⁴S）。当前文献中报导的，以及本研究获得的月球样品的δ³⁴S值见图4。

图4 月球样品中的硫同位素分馏特征

（Wang et al., 2024, Science）

月球火成岩及陨硫铁的δ³⁴S值均在0‰附近。以此为物源的火山玻璃珠δ³⁴S值为负值，且与S含量呈现正相关关系，即S含量越低δ³⁴S值越负。前人的研究显示：在还原条件下，火山玻璃在地下高压的气仓中去气时，³⁴S丢失得更快。另一方面，撞击形成的月球风化壳具有显著偏正的δ³⁴S值，说明撞击风化过程中³²S丢失得更快。理论上，以富含重硫同位素的风化壳为原材料，并且在撞击熔融过程中再次丢失硫的冲击玻璃珠，其硫同位素应该更重。这与还原条件下形成的月球火山玻璃珠将会形成明显的区别。如果一个玻璃珠具有负的δ³⁴S值，则应该是火山作用形成的。

月球火山玻璃珠和冲击玻璃珠δS值的差别

为验证这个猜想，研究人员使用中国科学院地质与地球物理研究所的离子探针（CAMECA IMS-1280），从成分均匀的冲击玻璃珠中随机挑选了近100颗进行S同位素分析。研究结果显示：所有的冲击玻璃珠均存在S同位素偏重的特征，且δ³⁴S值和S含量呈负相关的趋势，符合上述理论预测结果（图5）。

在对筛选出的6颗候选火山玻璃珠进行S同位素分析后，研究发现有3颗玻璃珠的δ34S值在−12.3‰到−9.5‰之间，具有负δ³⁴S值特征。综合结构特征-主量元素-微量元素-同位素组成的多方面判据，可以判定这三颗为火山成因的玻璃珠（图5）。

图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）

值得一提的是这三颗火山玻璃的边缘存在一些微米级别的铁颗粒。对其进行能谱分析发现具有非常低的Ni含量，这和冲击玻璃中通常具有的高Ni含量的铁颗粒是不同的。这些铁颗粒的存在说明火山玻璃的形成环境确实是还原性质的。

1.2亿年前月球还有火山活动！

为了对月球火山活动进行进一步的约束，研究人员通过离子探针对这三颗火山玻璃进行了U-Pb同位素体系的定年。出乎意料的是，这些火山玻璃珠的年龄是123±15Ma（Ma即百万年前），即大约1.2亿年前形成的（图6）。

为了排除后期撞击作用改造的影响，研究人员从三个方面来进一步分析：一是这三颗玻璃珠相对完整，仅第三颗是发生脆性断裂后留下的部分，没有被显著冲击改造的痕迹；二是这三颗玻璃珠中，挥发性与铅（Pb）元素类似的铷（Rb）元素的含量显著高于其它冲击玻璃珠。证明这三颗玻璃珠没有发生显著的Rb丢失，指示Pb也没有受到显著影响；三是它们的硫同位素显著偏负，与撞击丢失导致硫同位素向偏重的分馏特征不符，缺乏冲击改造特征。因此，123±15Ma就是三颗火山玻璃的形成时间，代表了月球上这一时期还存在火山活动。

图6 三颗嫦娥五号火山玻璃珠的BSE图像及U-Pb定年结果

（Wang et al., 2024, Science）

新的发现带来了更多的问题

产生如此年轻的月球火山活动的机制是什么？这三颗火山玻璃的化学组成可以为我们提供一定的源区特征信息。它们显著富集Na₂O, K₂O, P₂O₅以及稀土等不相容元素，表明其源区存在较高比例的KREEP（钾+稀土+磷）组分。是否是因为富KREEP组分的源区具有较多的放射性元素，衰变生热导致月幔产生局部热异常，从而引发物质的部分熔融产生岩浆并喷出地表?

这些KREEP组分是来自岩浆洋演化晚期的残余物（urKREEP），还是来自类似嫦娥五号玄武岩这种经历高程度演化而富集不相容元素但滞留在月幔的岩浆？

这些年轻的火山玻璃珠是从哪里来的？

岩浆的再活跃是否是由于撞击产生的？

20亿年到1亿年之间是否存在未被发现的火山活动？

是否还有更年轻的火山活动？

这些问题必然会引起诸多的猜想，也会成为相当长时间内的争论的焦点。

嫦娥五号返回了1731克样品，已经起到了一石激起千层浪的效果。嫦娥六号首次带回来的月球背面样品必将带来更多的惊喜，期待更多的新观测，逐渐揭开月球的神秘面纱。

美编：赵茹昕

校对：刘强

来源：中科院地质地球所

编辑：悦悦

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