月球火山活動為什么持續(xù)如此之久?

10月22日，《科學進展》在線發(fā)表了嫦娥五號月壤樣品的最新研究成果。我國科研人員提出新的月球熱演化模型：月球巖漿洋晚期結晶的易熔物質，逐漸加入到了月幔，不僅為月幔“補鈣補鈦”，而且導致月幔熔點降低，從而克服了月球內(nèi)部的緩慢冷卻，引發(fā)了長期持續(xù)的月球火山作用。

以前的兩種解釋都被排除

月球形成于約45億年前，它的質量大約只有地球的1%。對于如此小的天體來講，理論上它應該快速冷卻而早早地停止火山活動，成為死亡星球。

然而，去年十月，我國科學家對嫦娥五號玄武巖的研究卻發(fā)現(xiàn)，月球火山活動一直持續(xù)到20億年前。“這不僅刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認知，也提出了新的科學問題：月球火山活動為什么持續(xù)如此之久。”論文通訊作者、中國科學院地質與地球物理研究所研究員陳意告訴科技日報記者。

月球玄武巖是月幔部分熔融形成的巖漿，經(jīng)火山噴發(fā)后來到月球表面冷卻結晶形成的巖石。

對于持續(xù)冷卻的月幔發(fā)生部分熔融這一怪事，國際學術界一般有兩種可能的解釋：一種解釋認為，放射性元素生熱導致月幔升溫;另一種解釋認為，加水降低月幔熔點。

讓人意外的是，我國科學家對嫦娥五號玄武巖的研究揭示，月幔源區(qū)并不富含放射性生熱元素，且非常“干”。“這就意味著，以前提出的兩種假設都不可能造成持續(xù)冷卻的月幔發(fā)生部分熔融。”陳意說。

那么，到底是什么原因使得月球持續(xù)出現(xiàn)火山活動呢?

“破解這一謎團的前提是，確立嫦娥五號玄武巖起源的深度和形成的溫度，即月幔發(fā)生部分熔融時的溫度和壓力條件。”陳意說，在此基礎上，與形成于38-31億年前的阿波羅號玄武巖進行對比，就可以建立全新的月球巖漿-熱演化模型。

事實上，要想做到這一點并不容易。嫦娥五號玄武巖從月幔源區(qū)噴發(fā)至月表的過程中，經(jīng)歷了一系列演化過程，玄武巖成分發(fā)生了顯著的改變，如何準確恢復其初始巖漿的成分，成為了限定巖漿起源深度和溫度的關鍵。

提出新的月球熱演化模型

針對這一問題，陳意研究團隊選取了27顆具有代表性的嫦娥五號玄武巖巖屑，采用了最新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量面掃描技術分析了巖屑的全巖主要成分，結合一系列巖石學和熱力學模擬計算，成功恢復了嫦娥五號玄武巖的初始巖漿成分，并與阿波羅號低鈦玄武巖的初始巖漿進行對比，推斷出了它們的起源深度和溫度。

研究發(fā)現(xiàn)，與古老的阿波羅低鈦玄武巖相比，年輕的嫦娥五號玄武巖的初始巖漿含有更多的鈣和鈦，指示嫦娥五號玄武巖的月幔源區(qū)有更多的富鈣富鈦物質的加入，也就是月幔在二十億年前比三十多億年前含有更多的鈣和鈦。

“這部分物質恰恰是月球巖漿洋晚期結晶的產(chǎn)物，且具有易熔的特性，它的加入會顯著降低月幔的熔點，誘發(fā)月幔部分熔融形成年輕的月球玄武巖。”陳意解釋道。

同時，進一步的模擬計算結果顯示，嫦娥五號玄武巖比阿波羅號玄武巖的形成溫度更低，即月球內(nèi)部經(jīng)歷十幾億年的持續(xù)冷卻后，溫度僅僅降低了約80攝氏度。

據(jù)此，陳意團隊提出了新的月球熱演化模型：盡管月球內(nèi)部在持續(xù)緩慢冷卻，但是隨著月球巖漿洋晚期結晶的易熔組分不斷加入到深部月幔，不僅為月幔“補鈣補鈦”，還降低了月幔的熔點。這一月幔物質混合過程在月球長期演化歷史中可能逐漸加強，有效降低月幔巖石的熔點，從而克服了月球內(nèi)部的緩慢冷卻，引發(fā)了長期持續(xù)的月球火山作用。

對此，陳意表示，這項研究首次限定了嫦娥五號玄武巖的起源深度和月幔源區(qū)溫度，量化了月球內(nèi)部緩慢冷卻的熱演化過程，為“月球年輕火山成因”這一重要科學問題提供了一種全新的機制，深化了我們對月球形成和熱演化歷史的認知。(科技日報記者 陸成寬)