Science作者解读｜1.2亿年前的月球火山活动

从地质学上讲，岩浆活动是一个星球具有生命力和内动力的表现。我们今天能够通过登陆月球并返回样品，研究月球的火山活动持续时间，进而探讨星球热演化规律。

嫦娥五号玄武岩喷发于20.3亿年前，将美国阿波罗和苏联月球号以及月球陨石样品研究获得的月球火山活动时限认知延长了近10亿年。而是否还存在更年轻的月球的火山活动，则成为下一个关注的焦点。

月球的火山活动产物除了较大规模岩浆活动形成的岩石外，还有产生于较小规模火山喷发带来的火山玻璃珠。火山玻璃珠一般在亚毫米级别，虽然初始形成局限在很小范围，频繁的陨石撞击作用会使其分散到更广尺度。在返回样品中寻找火山玻璃珠对其定年就可以丰富月球岩浆活动历史研究。

最年轻的嫦娥五号月壤样品是寻找更年轻火山玻璃珠的理想对象。中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员以此为研究目标，申请并获批了约3克嫦娥五号月壤样品，其博士生王碧雯、博士后张谦及何雨旸副研究员等合作者，对从其中挑选出的约3000颗玻璃珠进行了详细研究，识别出3颗火山玻璃珠并进行了年代学研究。

研究的难点在于如何断定哪颗是火山成因的玻璃珠。因月表广泛存在陨石撞击作用，月壤中的玻璃珠绝大多数是冲击玻璃珠。结合前人对阿波罗样品玻璃珠的研究经验，识别玻璃珠成因的标准包括结构、单颗玻璃珠化学组成以及化学组成的相关性。参考上述标准，研究人员首先根据背散射图像排除含有未熔融矿物包裹体的玻璃珠。对剩余约800颗均匀玻璃珠进行了电子探针成分分析，根据主量元素化学组成的判别标准，发现13颗潜在的火山玻璃珠。对其进行微量元素分析，结合由岩浆演化而来的组分其Ni含量与MgO含量呈正相关趋势的特征，进一步筛选出6颗符合标准的候选玻璃珠。然而以上标准只是判断玻璃珠火山成因的必要但不充分条件。

元素的同位素特征带有样品的“指纹”信息，可以记录源区信息和改造过程。已知火山玻璃珠的硫同位素较轻（δ³⁴S一般小于0）并且硫同位素与硫含量呈现正相关关系，而冲击玻璃珠的材料来自于具有重硫同位素（δ³⁴S>0）的风化壳，在形成过程中进一步发生去气，预测具有更重的硫同位素值特征。

这项工作对嫦娥五号样品中的典型冲击玻璃珠进行了S同位素分析，显示硫同位素值偏重且和硫含量呈负相关，这与理论预测相符。因此，S同位素特征可以作为区分玻璃珠成因的关键证据。对6颗符合前人判别标准的玻璃珠进行离子探针分析，发现只有3颗的δ³⁴S是负值，在-12.3 ‰ 到-9.5 ‰之间。综合结构-成分-主量-微量-同位素多方面判据，可以断定这3颗为火山玻璃珠。

研究人员对这3颗火山玻璃珠进行了离子探针U-Pb同位素体系定年，结果为1.2亿年前。根据其结构完整、Rb含量显著偏高及硫同位素显著偏负的特征，可以判定没有经受明显的后期改造。该年龄即为其形成时间，证明月球上存在这一期的火山活动。

这一年轻火山活动时间的确认，将月球的火山活动期限又在嫦娥五号玄武岩年龄的基础上延长了约19亿年，这对以往的月球热演化模式提出了巨大挑战。三颗火山玻璃的化学组成为其形成机制提供了线索，它们显著富集Na₂O, K₂O, P₂O₅以及稀土等不相容元素，表明其岩浆源区存在较多的放射性元素，长期积累的衰变生热可导致月幔局部发生部分熔融，产生岩浆并喷出地表。因此，虽然没有观测到较大规模晚期月球岩浆活动，但仍存在局部升温引起的小规模火山喷发。

本工作的新发现对重新思考月球热演化模型有重要的意义，并可为小型天体的火山活动演化持续时间的理解提供参考。