月壤研究新進(jìn)展，“同位素指紋”解碼撞擊事件如何改造月球

透過嫦娥六號(hào)毫克級(jí)玄武巖顆粒中鉀同位素的微小變化，我國科研團(tuán)隊(duì)“看”到了月球南極-艾特肯盆地(SPA盆地)撞擊事件對(duì)深部月幔的改造。該發(fā)現(xiàn)為理解巨型撞擊作用如何重塑月球內(nèi)部的物質(zhì)演化，乃至解釋月表二分性的成因，提供了關(guān)鍵線索。1月13日，相關(guān)研究成果在《美國國家科學(xué)院院刊》發(fā)表。

SPA盆地形成事件如何塑造月球地殼和地幔結(jié)構(gòu)，并最終導(dǎo)致撞擊過程中揮發(fā)分的丟失(示意圖)

對(duì)于中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員田恒次來說，月壤樣品是他近5年來最熟悉的研究對(duì)象?！版隙鹆?hào)將月壤樣品帶回地球后，我們就考慮利用同位素的手段，對(duì)其記錄的撞擊事件展開研究?！碧锖愦握f。月球表面密布著大大小小的撞擊坑，這些來自小行星撞擊的產(chǎn)物，不僅塑造了月表的形貌，也顯著改變了其化學(xué)組成。其中，SPA盆地對(duì)應(yīng)著月球歷史上最大的一次撞擊事件。他希望通過對(duì)月壤樣品的高精度同位素分析，解讀這次撞擊事件對(duì)月球深部地質(zhì)演化過程的影響。

不過，相比于嫦娥五號(hào)樣品，嫦娥六號(hào)樣品的成分更為復(fù)雜?！版隙鹆?hào)月壤的粉末粒徑更細(xì)，其中不僅有大量的膠結(jié)物和高地巖石，光是玄武巖就有3種類型?！碧锖愦握f，從中準(zhǔn)確挑選出研究所需的玄武巖，是第一道難關(guān)。

研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展工作

科研人員利用高分辨率微米CT，對(duì)候選顆粒進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)“透視”，最終確認(rèn)并篩選出所需的低鈦玄武巖樣本。為確保毫克級(jí)樣品同位素?cái)?shù)據(jù)的一次性獲取成功率，他們進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月的“模擬考”，并在演練完成后隨即對(duì)關(guān)鍵的“同位素指紋”——鉀同位素展開分析。鉀是一種中等揮發(fā)性元素，其同位素在理論上能記錄撞擊過程的關(guān)鍵痕跡。

研究結(jié)果顯示，與來自月球正面的阿波羅樣品相比，嫦娥六號(hào)玄武巖樣品的鉀同位素更重。經(jīng)過對(duì)可能影響鉀同位素的過程的逐一甄別，造成這一現(xiàn)象的原因得到確認(rèn)：SPA盆地的撞擊作用，造成鉀元素丟失和同位素比值升高。據(jù)此推斷，樣品中其余比鉀更容易揮發(fā)的元素，大概率也存在顯著丟失，這可能造成背面月幔巖石更加難熔，進(jìn)而減少火山活動(dòng)。田恒次表示，這或許是月球正背面火山活動(dòng)存在顯著差異的原因之一。

接下來，田恒次還計(jì)劃繼續(xù)在其他元素的同位素體系中尋找同樣的撞擊信號(hào)，以交叉驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)?！斑@個(gè)發(fā)現(xiàn)帶來了新問題，比如，原始物質(zhì)是在何時(shí)丟失了揮發(fā)分？這種丟失持續(xù)了多長(zhǎng)時(shí)間，又是什么形式丟失的？”他期待通過更精確的數(shù)值模擬，還原撞擊過程，進(jìn)一步揭示月球演化的奧秘。