嫦娥五號火山玻璃珠揭示月球1.2億年前仍存在火山活動

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果表明：月球在20億年前仍然存在較大規模的巖漿活動。這一發現將月球的地質生命延長了約10億年，對傳統的月球演化模型提出了挑戰。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？對月海環形穹狀構造（lunar mare ring-moat dome structures）的地貌學觀察和撞擊坑統計定年結果顯示：月球在晚哥白尼紀（8億年前至今）可能仍存在火山活動。不規則月海斑塊（IMPs，Irregular mare patches）是月球表面一種特殊的地形構造，以多孔結構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測、找樣品的成本太高了。難道只能等著某一次的任務去探測這些可能具有年輕火山活動的區域，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——月壤里的火山玻璃珠

不如我們換一個思路：火山活動的產物可不只有巖石。除了巖漿活動形成的火山巖外，火山噴發還能產生火山碎屑，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：中國科學院地質與地球物理研究所）

富集揮發分的巖漿在上升過程中，由于壓力降低，揮發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現火山玻璃珠，尤其是遠距離搬運的火山玻璃珠的可能性可能更大。如果發現了火山玻璃珠，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。嫦娥五號著陸區附近并沒有發現火山活動。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構的玻璃珠（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含量呈現正相關趨勢，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，可以記錄源區信息和改造過程。硫（S）元素是一種中等揮發性元素。在玻璃珠的形成過程中，硫元素會不斷揮發，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含量呈現正相關關系，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別。如果一個玻璃珠具有負的δ34S值，則應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含量呈負相關的趨勢，符合上述理論預測結果（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，研究發現有3顆玻璃珠的δ34S值在?12.3‰到?9.5‰之間，具有負δ34S值特征。綜合結構特征-主量元素-微量元素-同位素組成的多方面判據，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現具有非常低的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境確實是還原性質的。

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定年結果

（Wang et al., 2024, Science）

新的發現帶來了更多的問題

產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組分的源區具有較多的放射性元素，衰變生熱導致月幔產生局部熱異常，從而引發物質的部分熔融產生巖漿并噴出地表?

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生的？

20億年到1億年之間是否存在未被發現的火山活動？

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的爭論的焦點。

嫦娥五號返回了1731克樣品，已經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日在線發表于國際權威學術期刊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）、中科院地質與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-202101，IGGCAS-202204）和博士后創新人才支持計劃（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