圖1 滿月夜空（圖片來自網絡）
小時不識月，呼作白玉盤。
又疑瑤臺鏡，飛在青云端。
李白用形象的比喻展現了月球的基本性質：月球本身不發(fā)光，而是反射太陽光來展示它冷艷而平靜的表面（圖1）。如果將巖漿比喻為星球的血液，那么月球的血液早已凝固，無法維持地質生命的延續(xù)?！霸虑蛏系膸r漿活動是何時停止的”這一科學問題，在最近幾十年一直被爭論不休且被持續(xù)關注。要想深究這個問題，就需要知道月球上最年輕的巖石年齡，以此來確定最后巖漿活動的時間。
從20世紀60年代開始，美國阿波羅（Apollo）計劃6次和前蘇聯月球號（Luna）3次返回月球樣品，根據這些樣品所確定的巖石年齡都大于30億年，即使加上收集到的所有月球隕石，最年輕的也大于28億年。月球的地質生命早早就結束了嗎？顯然還需要更多的月球樣品來驗證。
嫦娥五號月球采樣的重要任務之一正是探索月球最年輕的巖漿活動。嫦娥五號返回器于2020年12月17日凌晨在內蒙古四子王旗預定區(qū)域成功著陸，時隔44年再次返回月球樣品。這是中國科學院地質與地球物理研究所和中國科學院國家天文臺團隊通過嫦娥五號探索月球最晚巖漿活動故事開始的地方。
要確定一塊巖石的絕對年齡，最精確的方法是放射性同位素定年。但在未取得樣品之前，根據什么原則選擇著陸區(qū)才可能獲得最年輕的月球樣品呢？這就需要先介紹另外一種可以給出啟示的方法——撞擊坑統計定年法。
讓我們再次在腦海里浮現一下那個大大的“白玉盤”，表面并非光潔如鏡，而是高低不平的。如果通過天文望遠鏡去觀察，就可以清晰地看到月球表面鋪滿了大大小小的坑，這是幾十億年以來隕石撞擊留下來的。根據所獲得月球樣品的成分，我們知道月球的巖漿粘度低，可以流動而固化成相對平整的表面，每次隕石的撞擊會留下一個坑，日積月累，越老的地方就會留下越多的撞擊坑，而年輕的地方則會少。這樣一來，撞擊坑的大小和多少就可以和年齡掛鉤，成為一種可以估計區(qū)域巖石年齡的方法，稱之為撞擊坑統計定年法。
這種方法是基于美國阿波羅和前蘇聯月球號返回樣品的年齡和著陸區(qū)撞擊坑統計而發(fā)展起來的，這對于其它還沒有返回過樣品的內太陽系星球表面的定年是非常重要甚至唯一的手段。但這種方法定年的結果到底精確度如何呢？這就要靠新的返回樣品來驗證了。
圖2 疊加釷（Th）濃度分布的月球陰影地形圖
（圖片來源：Korotev et al.，2003，GCA）
嫦娥五號著陸區(qū)的選擇基于三個方面的考慮：一是撞擊坑密度最低的地方，預期巖石最為年輕；二是通過遙感數據獲得的巖石成分推測最容易產生巖漿的地方；三是要遠離阿波羅和月球號著陸區(qū)，以免獲得重復信息。嫦娥五號著陸區(qū)最終選擇在一個被稱為風暴洋克里普地體的P58區(qū)域（圖2）。
風暴洋是月球上最大的月海，位于月球西半球，也就是我們常提到的“蟾宮”。P58區(qū)域是根據撞擊坑統計定年所給的年齡順序中排位第58號，基本上是預期最年輕的地方?？死锲帐荎REEP音譯而來，這個詞是鉀元素（K）、稀土元素（REE）和磷元素（P）的首字母縮寫。這幾種元素在地球化學上歸屬為“不相容元素”，就是不喜歡進入到固體中的元素。這樣一來，在一個巖漿洋或巖漿房中，經過大量礦物的結晶后，最后殘余的部分就會特別富集克里普組分，同時富集鈾、釷、銣等不相容且具放射性的元素，這些元素在衰變轉換成其他元素時會產生熱量。因此，富集這些元素的物質即使冷卻成固體，經過長時間的積累放射性生熱也可能再次熔融。
綜合分析，這個地區(qū)坑少，生熱元素多，理論上可以是年輕的。不同研究者對著陸區(qū)劃分了不同大小的區(qū)域，通過撞擊坑統計定年法來推測年齡，卻有12億到30億年不等，雖然誤差很大，但總體顯示極有可能是月球最年輕的區(qū)域，確切的年齡亟待返回樣品通過放射性同位素定年方法來確定。
放射性同位素定年方法是基于一種元素（母體）衰變成另外一種元素（子體）的過程具有固定不變的衰變常數，通過測量母體和子體元素含量和同位素比值就可以計算出巖石是多長時間以前形成的。因為這些巖石的年齡多以億年為單位來衡量，這就需要一個衰變速率較慢且不容易受后期事件改變的同位素體系。經過長時間的檢驗，最好用的是鈾（U）衰變到鉛（Pb）的體系。
中科院地質地球所的離子探針團隊在過去十余年里持續(xù)研發(fā)微區(qū)U-Pb體系定年技術和方法，已經將分析條件優(yōu)化到國際領先水平。懷揣著激動的心，控制住顫抖的手將樣品放入質譜計中，一個測試數據完成大約要10分鐘時間，這個過程是激動人心的，是手心都冒汗的焦灼和熱切。當第一個年齡數據躍然屏上，20億年！我們都沒敢相信這是真的，我們需要更多嚴謹的分析來確認這一可能震驚整個科學界的數據結果。
我們盡可能多的分析各種不同結構的巖屑，最終我們統計了47塊巖屑，對其中各種礦物，尤其是對玄武巖最具代表性的定年對象，即含鋯礦物——斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石（在月球靜海中首次發(fā)現的礦物，因此取名靜海石），雖然只有頭發(fā)絲直徑的二十分之一甚至更小，我們通過自主研發(fā)的超高空間分辨率測試手段，對3微米以上的50多顆含鋯礦物進行了精確測試（圖3）。
圖3 嫦娥五號樣品中玄武巖巖屑背散射圖像（圖片來源：修改自Li et al.，2021，Nature）
a. 全顆粒整體圖像展示主要礦物分布；
b. 局部放大展示定年礦物產狀和離子探針分析點位。
一個礦物顆粒接著一個礦物顆粒，一種巖石類型接著一種巖石類型，我們都得到了誤差范圍內相同的結果。最終我們統計了所有分析結果，給出了精確的年齡20.30 ± 0.04 億年。這個年齡比之前獲得的最年輕月球樣品還要年輕8億年以上，可以說嫦娥五號探索任務非常成功，所取得的月球樣品帶來了全新的月球演化認知。
我們的工作不僅得到了年齡，而且進一步挖掘了熔融出這些樣品的月幔源區(qū)的特征。如果說最年輕的年齡是嫦娥五號任務開始時可以預期到的，那么熔融出這些樣品的巖漿源區(qū)的特征卻是出人意料的。
按照之前的設想，嫦娥五號著陸區(qū)是個克里普地體，可能溶出這些巖石的源區(qū)也富集不相容元素，但返回樣品實實在在地告訴我們，巖漿源區(qū)具有很低的U/Pb比值，并不富集U，顯然是虧損放射性生熱元素的。這樣，之前猜想是因為源區(qū)富集克里普組分才會經歷長時間的熱量積累來產生巖漿，而我們的結果證明了這個成因假說對于嫦娥五號著陸區(qū)僅僅是個“假說”。
綜合這兩項新成果，月球上最年輕的巖漿來源于放射性生熱元素虧損的源區(qū)，這就對月球的演化過程提出了一個全新的科學問題。一方面，小到約地球百分之一質量的月球并沒有之前想象的那樣早早就結束了地質生命；另一方面，這么晚的巖漿活動卻又不是想象中通過放射性生熱元素積累熱量來產生的。
下一步工作需要更深入考慮放射性生熱元素的貢獻，雖然我們證明了巖漿直接來源的地方沒有富集生熱元素，但是否可能源區(qū)周邊有很多，且只提供了熱而沒有提供物質呢？這個因素如果排除，那么就需要再去探討其它的巖漿成因機制了，這為全世界科學家指出了新的研究方向。
回頭我們再來看看撞擊坑統計定年方法，之前不同研究者對該區(qū)域統計的年齡范圍如此之廣，最主要的原因是根據已有樣品建立的撞擊坑統計定年曲線上的限定點并不多，尤其是10億到30億之間完全是空白（圖4）。
圖4 嫦娥五號樣品年齡對撞擊坑統計定年曲線的錨點作用
（圖片來源：修改自Li et al.，2021，Nature）
本次嫦娥五號樣品的精確年齡為這條定年曲線在20億年提供了一個關鍵錨點，可以極大地提高撞擊坑統計定年方法的精確度，這不僅對月球其它地方定年很重要，對于內太陽系其它星體表面的定年同樣適用。
“可憐今夕月，向何處，去悠悠？是別有人間，那邊才見，光影東頭？”南宋詞人辛棄疾一首具有浪漫主義特色的詞篇契合此情此景。阿波羅和月球號返回的月球樣品已經研究了半個世紀以上，人們對月球演化認知水平增長越來越緩慢，甚至停滯不前。沒有新的樣品，缺乏新的認知，不知路在何方之際，嫦娥五號返回樣品所帶來的最年輕樣品及其特征一石激起千層浪，可以預見新一輪月球研究熱潮正在興起，將吸引更多的科學家加入到研究團隊中來。
中國的深空探測正大步走在前進的道路上，期待著廣大青少年加入到探索星空的隊伍中來，上九天攬月，去太空翱翔！
