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胡森等-Nature:嫦娥五号玄武岩揭示了一个很“干”的月幔
2021-10-19 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  水是生命之源 

  地球之所以独特,在于她是太阳系唯一有海洋、湖泊、河流的星球。水是生命之源,是行星宜居的标志,因此行星是否有水是太阳系与系外生命探测的首要目标。我们所熟悉的水(H2O),它在1个大气压强下,100时会变成水蒸汽,在0时会结成冰块。更广义上的水还包括含水矿物中的氢氧根(OH)等结构水、以及其他形式的氢(H)。这类型的水可以很稳定存在于矿物中,只有加热到很高的温度,甚至熔融时,才以水分子的形式被释放出来。这些水在地质过程中扮演着重要的角色,它能显著降低岩石的熔化温度,改变岩石的强度等,在很大程度上影响了地球的内部运动。地球表面的流水并不是与生俱来,而是通过岩浆活动和火山喷发,不断将地球内部的结构水搬运到表面,并形成液态水,最终汇聚成海洋。 

  古人仰望天空,创造了“嫦娥奔月”的美丽故事。月宫上不仅居住着嫦娥仙子,还有吴刚、桂花树和玉兔。神话故事与实际情况还是有很大的距离。通过对月球的科学探测,包括6次阿波罗计划和3次月球号的采样返回任务、后续月球环绕探测、以及我国嫦娥工程在月球正面和背面的着陆巡视探测,告诉我们月球表面不仅没有生物,也没有大气,更没有流水。     

  月球内部有水吗? 

  月球的形成有捕获说、分裂说、同源说、以及大撞击等假说,其中大撞击假说得到了月球样品分析和月球探测的支持,成为主流假说。根据大撞击起源假说,原始地球与一个火星大小的星子碰撞,形成了一个围绕地球的、由高温岩浆和气体组成的盘。当温度开始冷却时,硅酸盐等物质首先聚集形成月球(图1),而水属于强挥发的物质,会以气态形式向太空逃逸而丢失。因此,这种方式诞生的月球,几乎不含水,是一个近乎干透了的星球。 

1 月球起源的大撞击假说 (引自Pahlevan and Stevenson, 2007, EPSL)

  情况在2008年发生了变化,科学家们利用一种微束分析技术来研究阿波罗任务采集的火山玻璃。他们用微米(千分之一毫米)大小的离子束轰击样品的表面,测量产生的氢离子(H-)信号。因为每个水分子(H2O)含有2个氢原子和1个氧原子,所以根据测定的氢含量,就能换算成水的含量。根据新的分析结果,他们估算出岩浆中的水含量高达745微克/克,这是一个相当高的值,证明月球并不贫水 (Saal et al., 2008, Nature)。此后,对更多月球样品的水含量分析,不同的团队给出非常不同的结果,估算的月球内部水含量差异达两个数量级。因此,月球内部到底是“干”或“湿”,再次成为月球探测要解决的关键科学问题。同时,月球内部水含量不仅是验证月球大碰撞假说的关键证据,而且对月幔的熔融和岩浆的结晶有重要影响。 

  造成月球内部水含量长期争议的原因之一,是阿波罗样品和月球陨石的年龄都很老(超过30亿年),样品经历了长期和强烈的后期改造(如小行星甚到彗星的撞击、太阳风的注入等),撞击使不同来源的样品混杂在一起,造成分析结果很难解释,甚至出现错误解释。 

  嫦娥号采集并返回了最年轻的玄武岩,样品来源单一、地质背景清晰,从而为回答月球内部的“干”与“湿”提供了最好的机会。同时,对于这些样品,我们还很想知道,这个区域的岩浆活动为什么能持续这么久?相比于阿波罗样品,嫦娥号玄武岩的年龄非常年轻,仅有20亿年(Che et al.2021, Science; Li et al.2021, Nature)。岩浆活动的持续,除了喷出的触发条件之外,或是因为内部有高含量的放射性生热元素(U, Th),造成异常的高温,从而导致熔融?或是因为内部的水含量高,从而降低了源区物质的熔点,导致熔融?但是,对嫦娥号样品的铅、锶、钕同位素(Li et al., 2021, Nature; Tian et al.2021, Nature)的分析,排除了嫦娥号样品源区有高含量放射性元素的可能性。我们的研究目标是通过对嫦娥号样品的分析,回答其源区是否富含水。     

  嫦娥号给出的答案 

  我们借用高空间分辨的纳米离子探针来分析嫦娥号样品的水含量和氢同位素组成。具体的分析目标是玄武岩中的岩浆包裹体和磷灰石,它们都非常微小,小的仅有几微米(图2)。除了分析样品的水含量之外,我们还分析水的氢同位素组成,即氘/氢比值,氢同位组成相当于水的“指纹”,可用来识别水的来源、示踪岩浆的喷发和结晶过程。 

2 嫦娥号玄武岩中磷灰石和岩浆包裹体背散射扫描电子显微镜图像。(a)合金靶中的玄武岩岩屑(颗粒号406-010023)的全貌图,该岩屑主要由橄榄石(Ol)、辉石(Px)、长石(Pl)和钛铁矿(Ilm)组成,可见少量铁橄榄石(Fa)、陨硫铁(Tro)、尖晶石(Sp)、磷灰石(Apa)和石英(Q)。(b)、(c)和(d)分别为该岩屑的局部图。(b)图可见被钛铁矿包裹的熔体包裹体(MI)。(c)和(d)显示磷灰石主要产出于粒间区域,呈自形或半自形

  包裹体是矿物在岩浆结晶过程中捕获的岩浆样品。不同包裹体实际上代表了岩浆在整个上升和结晶过程不同阶段采集的样本。通过对这些包裹体的分析,这可以勾画出水在岩浆结晶过程中的演变。分析结果表明,包裹在钛铁矿中的岩浆包裹体,氘/氢比值很低,并与水含量负相关,反映其母岩浆中的水在岩浆结晶过程发生过明显的丢失,由于轻的同位素丢失速度快,使剩余岩浆中的水具有重的氢同位素组成(图3)。因此,具有氘/氢最低比值的包裹体,代表了最原始的岩浆。此外,分析得到的氘/氢最低比值,与月幔水的氢同位素组成一致,也证明嫦娥号的玄武岩是由月幔部分熔融形成的。 

3 嫦娥号玄武岩样品中磷灰石和熔体包裹体的水含量和氢同位素组成。大部分熔体包裹体的水含量和氢同位素组成具有明显的负相关,指示岩浆去气过程。磷灰石明显富集重的氢同位素,经历过强烈的去气,与其晚期结晶的岩相特征相符。嫦娥号玄武岩的熔体包裹体和磷灰石水含量和氢同位素的相关性,记录了岩浆产生到最后固化不同阶段的演化过程。该过程可以划分为三个阶段,阶段1:月幔部分熔融形成嫦娥号的岩浆;阶段2:岩浆侵入或溢流,被钛铁矿捕获;阶段3:岩浆溢流到月表后发生强烈的去气丢失导致氢同位素分馏,最后形成磷灰石,岩浆完全固化成岩

  嫦娥号样品的水主要以OH (羟基)的形式存在于磷灰石(牙齿的主要成分)中。嫦娥号样品中的磷灰石含量很低(~0.4%),这也反映出采集到的嫦娥号玄武岩很“干”。玄武岩浆刚形成时含有一些水,但随着它在上升、最后喷出月表的过程中,由于压力降低(甚至真空)和高温,水会不断蒸发而丢失,最终冷却后的岩石几乎完全去气脱水。另外,这些磷灰石都分布在玄武岩中主要矿物(辉石、长石、钛铁矿、橄榄石)粒间,说明它们是最晚从岩浆中结晶出来的,记录了岩浆喷发结晶最后阶段的水及其同位素组成。分析结果表明,这些磷灰石的水具有最高的氘/氢比值,指示了岩浆在上升喷出过程中,水以氢气的形式不断丢失,造成了残留在岩浆中的水具有重的氢同位素组成(图3)。 

  最早被捕获在矿物中的岩浆包裹体(氘/氢比值最低),代表了最原始的岩浆,其水含量约为280 微克/克。另外,根据嫦娥号玄武岩的全岩水含量(假设主要存在于磷灰石),并基于岩浆去气脱水过程中氢同位素变重的程度,校正全部丢失的水后,也可估算原始岩浆的水含量,结果与岩浆包裹体的测定值一致。需要特别指出的是,这里给出的280微克/克水含量,是原始岩浆的水含量,不是嫦娥号月幔源区的水含量。 

  我们知道月海玄武岩是月幔部分熔融结晶形成。岩石受热发生部分熔融时,一些元素和组分偏向于进入岩浆中(称为不相容元素),而另一些更多地留在岩石中(称为相容元素)。水在岩石熔融中的行为跟不相容元素一样,更倾向进入岩浆中。通过对嫦娥号玄武岩非常细致的矿物、微量元素和同位素分析,可以确定嫦娥号的玄武岩浆是从月幔岩石熔融出的很少物质,再经过结晶移出大量橄榄石和辉石等不含水矿物后最终形成的(Tian et al.2021, Nature)。这个过程使岩浆中的水含量提高了约200倍,因此,估算出的月幔源区的水含量仅为1-5微克/克,表明嫦娥号玄武岩的源区非常“干”。这一结果比之前基于阿波罗月岩和月球陨石估算的月幔水含量偏低,落在月幔水含量估值的最低端(图4)。对于这一结果,存在两种解释:一种可能性是嫦娥号着陆区的月幔经过了更长时间的岩浆活动,月球内部的水通过多次的岩石熔融,进入到岩浆中,然后随着岩浆喷出月表,释放到太空而丢失;另一种可能性是月幔的水含量非常不均一,但需要有新的机制来解释这种差异。 

4 月球内部的水含量随时间演化轨迹。嫦娥号玄武岩月幔源区的水含量不超过1-5微克/克,明显低于以前估算的月幔水含量。此外,我们的研究结果表明,月幔水含量随时间呈现降低的趋势,可能是持续不断的熔融带走了月幔中原本就很少的水,或指示月幔的水含量非常不均一

  我们的研究还确证,造成月球火山活动持续异常长的原因,不是因为月幔水含量高而导致熔点降低之故,这些新发现与此前对月球的认识有很大不同。嫦娥五号着陆区异常活跃的火山活动既不能归因于源区富集放射性生热元素,也不是由于源区富含水,这对未来的科学研究和月球探测提出了新的目标     

  研究成果发表于国际学术期刊Nature胡森*,何会存,计江龙,林杨挺*,惠鹤九,Mahesh AnandRomain Tartese,闫艺洪,郝佳龙,李瑞英,谷立新,郭倩贺怀宇,欧阳自远. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang'E-5[J]. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04107-9)(原文链接)。该成果受中科院先导BXDB 41000000)、中科院重点部署项目(ZDBS-SSW-JSC007-15)、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-202101IGGCAS-201904)、基金委面上项目(41973062)项目、民用航天预先研究项目(D020201D020203D020205)和英国科学基金(#ST/P000657/1#ST/P005225/1)共同资助。 

 
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