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中国科学家精确测定月球年龄为20.3亿年!还有一项世界第三

2023-01-17
来源:快科技

2023年1月16日,第一届嫦娥五号月球样品研究成果研讨会在北京成功举办,广泛深入研讨了嫦娥五号月壤样品基本特性、月球火山活动历史及年轻火山活动成因、月球水和挥发分的含量与来源、月球表面陨石撞击太空风化作用、地外样品分析新技术等主题。

2020年12月17日,嫦娥五号带回1731克月球样品,这是我国首次完成地外天体样品采集,也是时隔44年,人类再次带回月球样品。

首批月球样品于2021年7月12日向国内科学家发放,目前已完成五次样品分发,共计198份、65.1克。

样品发放一年半以来,相关研究已有50多项成果在国内外重要学术期刊发表,推动我国月球科学研究进入国际前沿。

首批相关研究成果于2021年10月发布,在着陆区火山活动时代、源区性质等方面获得颠覆性认识,相关工作在《科学》和《自然》共发表四篇论文,在国际学术界引起巨大反响。

2022年9月,国家航天局、国家原子能机构联合发布中国科学家首次在月球上发现新矿物“嫦娥石”,这是人类在月球上发现的第六种新矿物,我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家。

本次研讨会邀请14位专家作报告,介绍了嫦娥五号样品的申请评审使用情况、研究的最新成果和未来嫦娥六号采样任务。

中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士在报告中披露,我们中国科学院地质与地球物理团队2021年取得很好的成就,发表了三篇的《自然》文章,精确测定了嫦娥五号月壤样品的年龄是20.3亿年,而过去认为30亿年最晚到28亿年就结束了。

嫦娥五号月球样品研究部分代表性成果——

(1)嫦娥五号玄武岩揭秘月球年轻火山成因之谜

2021年,中国科学家对嫦娥五号玄武岩的研究,证实月球火山活动可以一直持续到20亿年前,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。

针对这一科学问题,中国科学院地质与地球物理研究所研究团队,采用新研发的扫描电镜能谱定量扫描技术分析了岩屑的全岩主量成分,结合一系列岩浆分离结晶模拟和热力学模拟计算,恢复了嫦娥五号玄武岩和阿波罗低钛玄武岩的初始岩浆成分,限定了不同时期月球火山岩的源区组成,获得了它们熔融的温压条件。

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高钙和钛,可能因为源区含有更高的(约20%)岩浆洋晚期形成的单斜辉石-钛铁矿堆晶体,导致月幔熔点降低,诱发年轻火山的形成。

此工作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全新的解释,将为启发新的月球冷却模型的建立,深化我们对月球的起源和演化的认识。

(2)嫦娥五号月壤玻璃珠年代学探讨内太阳系动力学

月壤中含有大量玻璃,撞击成因玻璃是了解内太阳系撞击历史的重要研究对象,能够反映月壳物质组成和内太阳系的撞击动力学。

中国地质科学院地质研究所、中国地质大学(武汉)、澳大利亚科廷大学和国立大学、布朗大学、曼彻斯特大学、山东省地质科学研究院、瑞典自然历史博物馆、诺特丹大学的学者组成的国际研究团队对嫦娥五号月壤中的玻璃珠开展了系统的离子探针U-Pb定年,建立撞击溅射物数值模拟等方法,获得嫦娥五号撞击玻璃球粒准确的撞击年龄,并限制了月球上撞击玻璃球粒的传输距离应小于150 km。

通过与撞击坑频率年龄对比,初步确定了产生嫦娥五号撞击玻璃球粒的源撞击坑,并讨论了撞击玻璃球粒的年龄分布与内太阳系撞击体迁移的动力学过程,表明月球撞击通量变化可能与小行星带动力学过程有关。

此工作首次获得了嫦娥五号月壤中的多组撞击玻璃球粒年龄,并与着陆区撞击坑关联,证实了月球20亿年以来撞击频率随着时间变化,这意味着地球历史上经历过撞击频率高于平均水平的时期,为地月系统撞击历史研究提供新的方向。

(3)嫦娥五号样品中发现高含量的太阳风成因水

相比于阿波罗和月球号在月球低纬度采样,嫦娥五号所采集的中纬度月球样品,为探究月表水含量和保存机制提供了全新的窗口。

中国科学院地球化学研究所研究团队对嫦娥五号月壤样品中的辉石、橄榄石和斜长石矿物开展研究,分析了不同矿物中水的成因、含量与赋存状态,发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水,估算出太阳风质子注入为嫦娥五号月壤贡献的水含量至少为170 ppm。

结合透射电镜与能谱分析,揭示了太阳风成因水的形成和保存主要受矿物的暴露时间、晶体结构和成分等影响。

此工作证实了月表矿物是水的重要“储库”,为月表中纬度地区水的分布提供了重要参考。

(4)嫦娥五号样品月壤矿物中发现新矿物,命名为嫦娥石

中国科学家首次发现月球新矿物,不仅体现了中国现代科技和工程技术水平,而且也是中国人对人类开展月球研究和深空探测的贡献。

核工业北京地质研究院通过对样品进行详细研究,在十四万个月壤颗粒里找到了一个可以解结构的嫦娥石颗粒,并用聚焦离子束把它切割并提取出来,这是一颗4*7*10微米的颗粒。

这项发现增添了矿物族新成员,特别是外星体矿物新成员,推动了矿物学学科的发展,为月球、行星科学研究提供了新的科学数据,具重大科学意义。

该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物,我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家。

此工作发现嫦娥石形成于不同的环境和条件,通过研究其形成条件,可以为分析月球岩浆演化提供线索。

(5)嫦娥五号样品月壤成分特征

嫦娥五号样品是否可以代表着落区玄武岩的平均化学成分需要研究。

中国地质大学(武汉)研究团队针对月壤样品建立一种新的分析技术,在最低2毫克样品极低损耗量情况下,同时准确测定了月壤中48种主量和微量元素含量。

经过对两批次的铲取月壤进行七次抽样分析,结果高度一致,与国家天文台团队采用不同分析方法,对不同批次不同用量的月壤分析结果相同;与嫦娥五号任务遥感数据也一致,表明铲取月壤很均匀,可以代表着落区玄武岩的平均化学成分。

经过与118个美国Apollo月壤样品、3个前苏联Luna样品的对比,我们发现嫦娥五号样品在化学成分上富铁、中钛、富钍。

此外,镍含量远高于玄武岩,这表明有陨石加入,根据镍含量,估计有1%左右的陨石物质加入到月壤中。

嫦娥五号着陆区位于风暴洋西北部的月海,但也可能存在月海之外的物质,源于撞击溅射混染。

山东大学团队利用激光显微拉曼光谱技术了两份嫦娥五号月壤,研究发现嫦娥五号月壤的辉石和橄榄石矿物化学成分范围基本与嫦娥五号玄武岩一致,但仍存在少量(~5-7%)的富镁(Mg#>70)物质,这些富镁的镁铁质矿物有可能与Apollo样品中的镁质岩套岩石有关。

推断嫦娥五号着陆区可能包含5-7%的外来镁质溅射物,其可能源自远离着陆区的大型撞击坑挖掘出的月壳物质。



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