20億年前月球為何還有火山活動？謎團揭開

這是月球不同時期巖漿及熱演化示意圖（2022年10月20日繪制）。新華社發(fā)（中國科學院地質與地球物理研究所供圖）

中國科學家根據(jù)對嫦娥五號月壤的研究提出了新的月球熱演化模型，揭開了困擾學術界的一大謎團：為何月球在距今20億年前依然有火山活動。

中國科學院地質與地球物理研究所研究員陳意介紹，月球形成于約45億年前，質量只有地球的約1%，對于如此小的天體來講，理論上它應該快速冷卻，很早就停止火山活動，成為“死亡”星球。

嫦娥五號月壤樣品的返回，引發(fā)了新一輪的月球研究熱潮。2021年10月中國科學家在《自然》雜志上發(fā)表了三篇文章，揭示了月球火山活動可以一直持續(xù)到20億年前，刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認知。

專家介紹，月球玄武巖是月幔（相當于地球的地幔）部分熔融形成的巖漿經(jīng)火山噴發(fā)至月球表面冷卻結晶形成的巖石。國際學者對持續(xù)冷卻的月幔發(fā)生部分熔融曾提出兩種假說：一是放射性元素生熱導致月幔升溫；另一假說是如果水含量高，會降低月幔熔點。

然而中國科學家對嫦娥五號玄武巖的研究揭示月幔源區(qū)并不富含放射性生熱元素，且非常“干”，排除了以上兩種假說。因此，月球火山活動為什么持續(xù)如此之久，成為新一輪月球研究中的未解之謎。

中國科學院地質與地球物理研究所掃描電鏡與電子探針實驗室工程師原江燕在分析嫦娥五號月壤成分（2022年10月14日攝）。新華社發(fā)（中國科學院地質與地球物理研究所供圖）

針對這一問題，陳意率領科研團隊選取了27顆具有代表性的嫦娥五號玄武巖巖屑，采用了最新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術分析了巖屑的全巖主要成分，結合一系列巖石學和熱力學模擬計算，成功恢復了嫦娥五號玄武巖的初始巖漿成分，并與阿波羅樣品的初始巖漿進行對比，推算出它們的起源深度和溫度。

研究發(fā)現(xiàn)，與阿波羅樣品相比，年輕的嫦娥五號玄武巖的初始巖漿含有更多的鈣和鈦，這表明嫦娥五號玄武巖的月幔源區(qū)有更多的富鈣富鈦物質的加入。這部分物質恰恰是月球巖漿洋晚期結晶的產物，且具有易熔的特性，它的加入會顯著降低月幔的熔點，誘發(fā)月幔部分熔融形成年輕的月球玄武巖。進一步的模擬計算結果顯示，月球內部經(jīng)歷十幾億年的持續(xù)冷卻，溫度僅僅降低了約80攝氏度。

陳意說，該項研究表明，盡管月球內部在持續(xù)緩慢冷卻，月球巖漿洋晚期結晶的易熔組分不斷加入到深部月幔，不僅為月幔“補鈣補鈦”，還降低了月幔的熔點，從而克服了緩慢冷卻的月球內部環(huán)境，引發(fā)長期持續(xù)的月球火山作用。

該項成果在最新一期美國《科學進展》雜志上發(fā)表。