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中科院发布嫦娥五号月球样品最新研究

来源:中国科学报 甘晓  发表时间:2021-10-20 14:09:17   浏览:

  48人小组、7天完成实验、16天投出第一篇论文……

  10月19日,中国科学院发布了嫦娥五号月球科研样品最新研究成果。中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)和国家天文台主导,联合多家研究机构通过3篇《自然》论文和1篇《国家科学评论》论文,报道了围绕月球演化重要科学问题取得的突破性进展。其中,3篇《自然》论文于北京时间10月19日同期上线。

  研究证明,嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩,对着陆区岩浆年龄、源区性质给出全新的认识,月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年,其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素,并且月幔源区几乎没有水。

  7天完成实验

  “我们拿到样品后半个小时立刻启动研究,所有实验数据在7天内获得,投出第一篇文章总共花了16天时间。”参与该研究的中国科学院院士、地质地球所研究员李献华在新闻发布会上介绍。

  2021年7月12日,嫦娥五号任务第一批月球科研样品正式发放,国内共有13家科研机构获得约17476.4毫克样品。

  拿到样品后,由48人组成的月球样品研究工作组联合国家天文台科学家,开始集中攻关:7月12日11点左右回到研究所召开工作启动会,53小时后取得第一个定年数据,55小时后取得第一个氢同位素数据,7天内完成预期的实验分析,第8天起进行封闭式论文写作,第16天投出第一篇论文……研究过程形成一种前沿科学联合攻关的“系统工程”新范式,为重大成果的迅速产出奠定了关键基础。

  中国科学院副院长、党组成员周琪在发布会上介绍,中国科学院对月球样品研究的科研任务极为重视,组织院士专家全面系统研讨月球的重大科学问题,并于2021年5月立项启动“嫦娥五号任务月球样品综合研究”院重点部署项目。“今天,我们在此公布此项工作的第一批科研成果。”他强调,“这一系列工作取得了原创性的重大突破,是人类对月球研究的一大成果。”

  揭示月球演化奥秘

  据了解,《国家科学评论》10月15日发表的论文围绕“嫦娥五号月壤样品特征”,报道了研究人员对嫦娥5号月球样品开展的基础物性、岩相学、矿物学、化学成分等方面的综合分析与研究结果。这些结果建立了嫦娥5号月球样品基本特性的框架,证明嫦娥5号月球样品为一类新的月海玄武岩。

  在《自然》上发表的3篇论文则刷新了此前有关月球的三大认知。其中,第一篇围绕“嫦娥五号玄武岩年代学”。对于月球岩浆活动停止的确切时间,科学界一直存在争议。此前研究已证实,月球的生命特征之一 ——岩浆活动至少持续到大约30亿至28亿年前。

  此次研究中,科研人员利用超高空间分辨率铀—铅(U-Pb)定年技术,对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物进行分析,确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。也就是说,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,将以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。

  第二篇围绕“嫦娥五号玄武岩月幔源区地球化学特征”。对于月球最晚期岩浆活动的成因,目前科学界存在两种可能的解释:岩浆源区中富含放射性元素以提供热源,或富含水以降低熔点。最新研究则基于“超高空间分辨率同位素分析技术”取得了意料之外的结果:嫦娥五号玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”。

  李献华介绍,这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说,揭示了月球晚期岩浆活动过程。

  第三篇围绕“嫦娥五号玄武岩月幔源区含水量”。对于岩浆源区是否富含水,研究获得的结果是月幔源区的水含量仅为1~5微克/克,也就是说,月幔非常“干”。这一发现排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点,导致该区域岩浆活动持续时间异常延长的猜想。

  对此,中国科学院院士欧阳自远表示:“一系列研究回答了当前月球科学重大的、关键的问题,为还原月球真实演化历史奠定了基础,也是中国航天工程技术与科学研究的完美结合。”

  发布会现场,欧阳自远回忆,1978年他曾利用美国赠予中国的0.5克月球样品发表14篇科学论文。“这次用我们中国人取回的样品做研究,我的心情完全不一样。”他动情地说,“如果说当年是一次‘考试’,这次是真正显示了中国的科研实力,我感到十分振奋。”

  先进技术储备

  在专家们看来,一系列重大成果的取得,3项先进技术的助力至关重要。第一项为“离子探针超高空间分辨率定年”。“从2006年起,研究所提前布局开展了14年的研发,我们逐渐将其空间分辨率从20微米发展到10微米、5微米,去年实现了3微米左右的高精度定年。”李献华说。

  第二项为“纳米离子探针超低本底氢同位素和水含量分析”。为避免地球上水的干扰,研究团队自2013年起在现有仪器设备条件下不断改进,实现了水本底的大幅度降低,此次才得以实现对月球样品中极低含量的“水”的探测。

  第三项为“激光—ICP质谱超高分辨率锶—钕同位素技术”。研究人员改进了仪器参数和条件,将仪器设备灵敏度提高了一个数量级,同时改进策略提高分析准确度。

  据了解,此次研究所采用的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术目前处于国际领先水平,为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188

  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

  (原载于《中国科学报》 2021-10-20 第1版 要闻)
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