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      作者:李獻華等 來源:《自然》 發布時間:2021/10/20 9:02:48
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      中科院發布月球樣品新研究:玄武巖揭月球奧秘
      20億年前玄武巖揭示月球演化奧秘

       

      48人小組、7天完成實驗、16天投出第一篇論文……

      10月19日,中國科學院發布了嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果。中國科學院地質與地球物理研究所(以下簡稱地質地球所)和國家天文臺主導,聯合多家研究機構通過3篇《自然》(Nature)論文和1篇《國家科學評論》(National Science Review,NSR)論文,報道了圍繞月球演化重要科學問題取得的突破性進展。其中,3篇《自然》論文于北京時間10月19日17點同期上線。

      研究證明,嫦娥五號月球樣品為一類新的月海玄武巖,對著陸區巖漿年齡、源區性質給出全新的認識,月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年,其晚期巖漿活動的源區并不富集放射性元素,并且月幔源區幾乎沒有水。

      7天完成實驗

      “我們從拿到樣品后半個小時立刻啟動研究,所有實驗數據在7天內獲得,投出第一篇文章總共花了16天時間。”參與該研究的中國科學院院士、地質地球所研究員李獻華在新聞發布會上介紹。

      2021年7月12日,嫦娥五號任務第一批月球科研樣品正式發放,國內共有13家科研機構獲得約17476.4毫克樣品。

      拿到樣品后,由48人組成的月球樣品研究工作組聯合國家天文臺科學家,開始集中攻關:11點左右回到研究所召開工作啟動會,53小時后取得第一個定年數據,55小時后取得第一個氫同位素數據,7天內完成預期的實驗分析,第8天起進行封閉式論文寫作,第16天投出第一篇論文……研究過程形成一種前沿科學聯合攻關的“系統工程”新范式,為重大成果的迅速產出奠定了關鍵基礎。

      嫦娥五號月壤樣品 (中國科學院科學傳播局科技攝影聯盟供圖)

      中國科學院副院長、黨組成員周琪在發布會上介紹,中國科學院對月球樣品研究的科研任務極為重視,組織院士專家全面系統研討月球的重大科學問題,并于2021年5月立項啟動“嫦娥五號任務月球樣品綜合研究”院重點部署項目。“今天,我們在此公布此項工作的第一批科研成果。”他強調,“這一系列工作取得了原創性的重大突破,是人類對月球研究的一大成果。”

      刷新三大認知

      據了解,《國家科學評論》于10月15日發表的論文圍繞“嫦娥五號月壤樣品特征”,報道了研究人員對嫦娥5號月球樣品開展的基礎物性、巖相學、礦物學、化學成分等方面的綜合分析與研究結果。這些結果建立了嫦娥5號月球樣品基本特性的框架,證明嫦娥5號月球樣品為一類新的月海玄武巖。

      今天在《自然》上發表的三篇論文則刷新了此前有關月球的三大認知。其中,第一篇圍繞“嫦娥五號玄武巖年代學”。對于月球巖漿活動停止的確切時間,科學界一直存在爭議。此前研究已證實,月球的生命特征之一——巖漿活動至少持續到大約28至30億年前。

      此次研究中,科研人員利用超高空間分辨率鈾-鉛(U-Pb)定年技術,對嫦娥五號月球樣品玄武巖巖屑中50余顆富鈾礦物進行分析,確定玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年,證實月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年。也就是說,月球直到20億年前仍存在巖漿活動,比以往月球樣品限定的巖漿活動停止時間延長了約8億年。

      論文網頁截圖

      第二篇圍繞“嫦娥五號玄武巖月幔源區地球化學特征”。對于月球最晚期巖漿活動的成因,目前科學界存在兩種可能的解釋:巖漿源區中富含放射性元素以提供熱源,或富含水以降低熔點。最新研究則基于“超高空間分辨率同位素分析技術”取得了意料之外的結果:嫦娥五號玄武巖初始熔融時并沒有卷入富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質”。

      李獻華介紹,這一結果排除了嫦娥五號著陸區巖石初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的主流假說,揭示了月球晚期巖漿活動過程。

      論文網頁截圖

      第三篇圍繞“嫦娥五號玄武巖月幔源區含水量”。對于巖漿源區是否富含水,研究獲得的結果為月幔源區的水含量僅為1-5微克/克,也就是說月幔非常的“干”。這一發現也排除了月幔初始熔融時因水含量高而具有低熔點,導致該區域巖漿活動持續時間異常延長的猜想。

      論文網頁截圖

      對此,中國科學院院士歐陽自遠表示:“一系列研究回答了當前月球科學重大的、關鍵的問題,為還原月球真實演化歷史奠定了基礎,也是中國航天工程技術與科學研究的完美結合。”

      發布會現場,歐陽自遠回憶,1978年他曾利用美國贈予中國的0.5克月球樣品發表14篇科學論文。“這次用我們中國人取回的樣品做研究,我的心情完全不一樣。”他動情地說,“如果說當年是一次‘考試’,這次是真正顯示了中國的科研實力,我感到十分振奮。”

      先進技術儲備

      在專家們看來,一系列重大成果的取得,三項先進技術的助力至關重要。第一項為“離子探針超高空間分辨率定年”。“從2006年起,研究所提前布局開展了14年的研發,我們陸續將其空間分辨率從20微米降到10微米、5微米,最后去年實現了3微米左右的高精度定年。”李獻華介紹。

      第二項為“納米離子探針超低本底氫同位素和水含量分析”。為避免地球上水的干擾,研究團隊自2013年起在現有儀器設備條件下不斷改進,實現了水本底的大幅度降低,此次才得以實現對月球樣品中極低含量的“水”的探測。

      第三項為“激光-ICP質譜超高分辨率鍶-釹同位素技術”。研究人員改進了儀器參數和條件,將儀器設備靈敏度提高了一個數量級,同時改進策略提高分析準確度。

      據了解,此次研究所采用的超高空間分辨率的定年和同位素分析技術目前處于國際領先水平,為珍貴地外樣品年代學等研究提供了新的技術方法。(來源:中國科學報 甘曉)

      相關論文信息:

      NSR論文:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188

      Nature論文

      https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

      https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9

      https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5

       
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