前期研究認為月球的火山活動早已停止

從20世紀60年代開始，美國阿波羅（Apollo）計劃和前蘇聯(lián)月球號（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較快散失。如果將巖漿比作星球的血液，那么月球的“血液”會較快凝固，成為一顆地質(zhì)生命力喪失的死亡星球（Dead planet）。早期的認知是月球大約在30億年前就已經(jīng)停止了巖漿活動。

2021年，對我國嫦娥五號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。這一發(fā)現(xiàn)將月球的地質(zhì)生命延長了約10億年，對傳統(tǒng)的月球演化模型提出了挑戰(zhàn)。雖然嫦娥五號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。

月球的火山活動真的早就停止了嗎？

還有更年輕的巖漿活動嗎？對月海環(huán)形穹狀構(gòu)造（lunar mare ring-moat dome structures）的地貌學觀察和撞擊坑統(tǒng)計定年結(jié)果顯示：月球在晚哥白尼紀（8億年前至今）可能仍存在火山活動。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，一些學者認為IMPs可能是非常晚的火山活動產(chǎn)物，其火山活動時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，我們應(yīng)該去哪里找樣品去檢驗這一假說？像在地球上一樣大范圍地跑區(qū)測、找樣品的成本太高了。難道只能等著某一次的任務(wù)去探測這些可能具有年輕火山活動的區(qū)域，然后從帶回來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的物質(zhì)——月壤里的火山玻璃珠

不如我們換一個思路：火山活動的產(chǎn)物可不只有巖石。除了巖漿活動形成的火山巖外，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源的玻璃珠（圖1）。

圖1 嫦娥五號樣品中的玻璃珠

（圖片版權(quán)：中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所）

富集揮發(fā)分的巖漿在上升過程中，由于壓力降低，揮發(fā)分會以氣體的形式從巖漿中脫離出來。隨著去氣作用的不斷發(fā)生，巨大的壓力會在地下巖漿的上方形成一個氣倉。在月表以下幾百米處，少量巖漿會在這個致密的氣倉里形成氣溶膠，部分會凝結(jié)成非常小的顆粒懸浮在氣倉中。當氣壓累積到一定的程度，距離月表很近的氣倉會爆炸。氣溶膠和懸浮顆粒會爆發(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：萬有博物書店 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。同時，月球上廣泛存在的隕石撞擊會使其更容易運移到更遠的地方。與火山巖比，這些火山玻璃運移的距離更遠，分布更廣泛。返回的月壤樣品中發(fā)現(xiàn)火山玻璃珠，尤其是遠距離搬運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，就可以進一步對月球巖漿活動歷史進行制約。

如何識別月壤中的火山玻璃珠？

理想是美好的，但是現(xiàn)實是殘酷的。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：萬有博物書店 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火山玻璃珠的識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，準確識別火山玻璃珠一直是一件困難的事。嫦娥五號著陸區(qū)附近并沒有發(fā)現(xiàn)火山活動。因此，其返回樣品中是否存在火山玻璃本身就是不確定的。

中國科學院地質(zhì)與地球物理所的研究人員在大約3克的嫦娥五號月壤中挑選出了約3000顆玻璃珠。通過前人在研究阿波羅樣品的玻璃珠時給出的玻璃珠成因判別標準，研究人員對這3000顆玻璃珠進行了初篩。

（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）通過主量元素識別可能具有火山來源的玻璃珠（800顆→13顆）

其次，通過對阿波羅火山玻璃的成分分析，前人提出了通過主量元素識別火山玻璃的標準。因此，研究人員對剩余的~800顆沒有明顯包裹體的、成分較均勻的玻璃珠進行了電子探針（EPMA）成分分析，遴選出13顆化學組成符合判別標準的候選顆粒。

（3）通過微量元素識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，由巖漿演化而來的組分其Ni含量與MgO含量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，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。因此，研究人員通過離子探針（SIMS）對這13顆玻璃珠進行了微量元素分析，進一步篩選出6顆符合微量元素判別標準的候選“火山玻璃珠”。

然而，一顆火山玻璃珠必然會具有上述特征。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，要充分判斷一個玻璃珠的火山成因，還需要更有力證據(jù)的支持。

（4）通過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)信息和改造過程。硫（S）元素是一種中等揮發(fā)性元素。在玻璃珠的形成過程中，硫元素會不斷揮發(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程中的去氣作用。硫元素有4個穩(wěn)定的同位素（32S,33S,34S,36S），其中32S占到約95%，34S約4.2%。在去氣的過程中，不同質(zhì)量的同位素具有不同的丟失速率，導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。

國際上以美國亞利桑那鐵隕石中隕硫鐵(FeS)的34S/32S同位素比值為標準，其它樣品相對這個值的偏差用來表示其硫同位素值（δ34S）。當前文獻中報導的，以及本研究獲得的月球樣品的δ34S值見圖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。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中去氣時，34S丟失得更快。另一方面，撞擊形成的月球風化殼具有顯著偏正的δ34S值，說明撞擊風化過程中32S丟失得更快。理論上，以富含重硫同位素的風化殼為原材料，并且在撞擊熔融過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形成明顯的區(qū)別。如果一個玻璃珠具有負的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

為驗證這個猜想，研究人員使用中國科學院地質(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挑選了近100顆進行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含量呈負相關(guān)的趨勢，符合上述理論預測結(jié)果（圖5）。

在對篩選出的6顆候選火山玻璃珠進行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別的鐵顆粒。對其進行能譜分析發(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明火山玻璃的形成環(huán)境確實是還原性質(zhì)的。

1.2億年前月球還有火山活動！

為了對月球火山活動進行進一步的約束，研究人員通過離子探針對這三顆火山玻璃進行了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，研究人員從三個方面來進一步分析：一是這三顆玻璃珠相對完整，僅第三顆是發(fā)生脆性斷裂后留下的部分，沒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有發(fā)生顯著的Rb丟失，指示Pb也沒有受到顯著影響；三是它們的硫同位素顯著偏負，與撞擊丟失導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間，代表了月球上這一時期還存在火山活動。

圖6 三顆嫦娥五號火山玻璃珠的BSE圖像及U-Pb定年結(jié)果

（Wang et al., 2024, Science）

新的發(fā)現(xiàn)帶來了更多的問題

產(chǎn)生如此年輕的月球火山活動的機制是什么？這三顆火山玻璃的化學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。是否是因為富KREEP組分的源區(qū)具有較多的放射性元素，衰變生熱導致月幔產(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組分是來自巖漿洋演化晚期的殘余物（urKREEP），還是來自類似嫦娥五號玄武巖這種經(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？

是否還有更年輕的火山活動？

這些問題必然會引起諸多的猜想，也會成為相當長時間內(nèi)的爭論的焦點。

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

研究成果2024年9月6日在線發(fā)表于國際權(quán)威學術(shù)期刊Science（王碧雯?，張謙?，陳意，趙文昊，劉宇，唐國強，馬紅霞，蘇斌，惠鶴九，John W. Delano，吳福元，李獻華，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）。該成果得到國家自然科學基金（42225301，42241105）、中國科學院先導B項目（XDB0710000）、中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-202101，IGGCAS-202204）和博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20220294）共同資助。

工作主要貢獻者

（左起：張謙 李秋立 何雨旸 王碧雯）

（攝影：任暉）

美編：趙茹昕

校對：劉 強