新發現的火山玻璃珠：揭示月球持久地質活力

“騮馬新跨白玉鞍，戰罷沙場月色寒”，“青女素娥俱耐冷，月中霜里斗嬋娟”。古代詩人早已用細膩筆觸描繪出月亮清冷之感，這般意境，恰似那自身不再產生熱量的星球。月球誕生于約45億年前的大撞擊事件，由被甩出的碎片聚集而成，質量僅相當于地球的1.2%。直觀想象，這般體積較小的星球熱量散失會較快。若把巖漿比作星球的血液，那月球的“血液”可能迅速凝固，使其喪失地質生命力。要了解月球的地質演化壽命，就需要研究月球采回樣品及月球隕石，去尋找最年輕的月球巖漿活動產物。

從20世紀60年代起，美國阿波羅（Apol o）計劃和蘇聯月球號（Luna）帶回的9次月球樣品，以及收集到的所有月球隕石，其巖石年齡都在30億年以上。因此，在我國嫦娥工程返回樣品之前，學界曾認為月球的地質生命約30億年前就已結束。2020年12月17日，我國嫦娥五號返回器將采集的月球樣品帶回地球，首次實現我國地外天體采樣返回，也是人類時隔44年再次將月球樣品帶回地球。經精確定年，嫦娥五號帶回的玄武巖樣品被證明為20.3±0.04億年前噴發，表明月球在20億年前仍有大規模巖漿活動。這一發現把月球的地質生命延長了約10億年，打破了傳統認知。而嫦娥六號從月背首次返回樣品，揭示了28億年前的火山活動，同樣比阿波羅時代樣品更年輕。這不禁讓人思考，20億年前是否就是月球地質生命的終點？當月球僅存的“血液”無法支持大規模的火山活動時，它是否還存在小規模的火山噴發？

月球火山活動的產物除了較大規模巖漿活動形成的巖石，也有較小規模火山噴泉帶來的火山碎屑。火山噴泉的形成過程是富集揮發分的巖漿在上升過程中因壓力降低而發生去氣作用，在月表以下幾百米處達到飽和蒸氣壓，此時巖漿呈現為一種氣溶膠狀態，發生熔漿碎片化，并以爆發形式噴出月表后快速冷卻，從而形成火山玻璃珠。因此，火山玻璃珠也是巖漿作用的一種產物，對其進行定年也可以追溯月球巖漿活動歷史。此外，由于火山玻璃珠通常僅有幾十到幾百微米大小，月球上廣泛的隕石沖擊作用會使其四散分布。這意味著，即使我們并未著陸在火山噴泉附近，在返回的月壤樣品中仍可能存在遠距離搬運而來的火山玻璃珠。如果能在這些樣品中發現更年輕的火山玻璃珠，則就進一步證明月球地質活動仍在持續。

盡管這個想法很好，但困難很大。眾所周知，月球表面最顯著的特征就是布滿了由大小不等的隕石以平均約20千米/秒的速度撞擊所形成的撞擊坑。如此高能量的沖擊會熔融月表巖石或月壤，從而形成普遍存在的沖擊玻璃珠。因此，要從大量的沖擊玻璃珠中分辨出少量火山玻璃珠是很困難的。在無法確定嫦娥五號月壤中是否存在火山玻璃珠的前提下，找到年輕的火山玻璃珠更是難上加難。

中國科學院地質與地球物理研究所的研究團隊在約3克嫦娥五號月壤中挑選出了約3000顆玻璃珠。先前對阿波羅樣品中玻璃珠的研究為其提供了豐富的成因判別標準。例如，存在沒有完全熔融而殘留礦物包裹體的玻璃珠必然是沖擊成因的，這樣的玻璃珠占到了總數的75%以上。剩余的大約800顆玻璃珠顯示出均勻結構，進一步通過電子探針進行了成分分析。結合阿波羅任務帶回的火山玻璃成分范圍，研究人員遴選出13顆化學組成符合前人基于主量元素制定的火山成因判別標準的候選顆粒。在微量元素上，尤其是鎳（Ni）元素，由巖漿演化而成的組分通常表現出Ni含量與MgO含量之間的正相關趨勢；而由于月壤中存在高鎳含量的隕石殘留組分，沖擊玻璃珠通常具有高鎳含量特點。通過對這13顆玻璃珠的微量元素分析，進一步篩選出6顆符合火山成因微量元素判別標準的“火山玻璃珠”。然而，這些判別標準只是識別火山玻璃珠的必要條件而非充分條件，要確認一顆玻璃珠確實為火山成因，還需要更多的證據支持。

元素的同位素特征帶有樣品的“指紋”信息，能夠記錄源區信息和改造過程。硫（S）元素有4個穩定的同位素（32S，33S，34S，36S），其中32S占到約95%，34S約占4.2%。硫元素具有強揮發性，火山玻璃和月壤樣品的硫含量僅約玄武巖中的一半，說明它們在形成過程中均發生了硫的丟失。在丟失過程中不同質量的同位素丟失快慢不同，造成34S/32S比值的變化，稱為同位素的分餾。國際上以美國亞利桑那鐵隕石中隕硫鐵（FeS）的34S/32S同位素比值為標準，其他樣品相對這個值的千分偏差用來表示其硫同位素值（δ34S）。阿波羅樣品中的火山玻璃的硫同位素呈現偏負的特征，即火山玻璃在硫的丟失過程中34S丟失得更多，且與硫含量呈現正相關關系，即S含量越低δ34S越負。相比之下，月球火成巖及隕硫鐵的δ34S均接近0‰，以此為原材料被撞擊形成的月球風化殼具有顯著偏正的硫同位素，說明這些巖石在經歷撞擊風化過程中32S丟失得更多。可以想象，沖擊玻璃珠以具有重硫同位素的風化殼為原材料，熔融過程中再次較多地丟失32S，則其硫同位素應該向更重硫同位素方向發生分餾。嫦娥五號樣品中經主量成分確認為沖擊玻璃珠的S同位素，分析結果驗證了這一假設，發現其S同位素較重且與S含量呈負相關趨勢，符合理論預測。因此，S同位素特征可以作為區分玻璃珠成因的關鍵證據。對篩選出的6顆潛在火山玻璃珠進行S同位素分析，發現只有3顆其δ34S是負值，在-12.3‰到-9.5‰之間。結合結構——成分——主量——微量——同位素多方面判據，可以判斷這3顆為火山玻璃珠。

通過離子探針對這3顆火山玻璃珠進行了U-Pb同位素體系的定年，得到了123±15Ma（百萬年前）的年齡。這一年輕年齡可能會引發疑問，是否可能是由于后期撞擊作用導致的改造？這可以從三個方面來排除這種可能性。一是這3顆玻璃珠相對完整，僅有一顆發生了脆性斷裂，沒有被顯著沖擊改造的痕跡；二是銣（Rb）的揮發性與鉛（Pb）類似，這3顆玻璃珠的Rb含量顯著高于其他沖擊玻璃珠，顯示沒有發生Rb的顯著丟失，因此Pb也沒有受到顯著影響；三是這些玻璃珠具有顯著偏負的硫同位素特征。如果經歷了撞擊導致的物質丟失，硫同位素會向更重的方向分餾，而觀察到的結果并不支持這一點。因此可以判斷這個年齡就是3顆火山玻璃珠的形成時間，代表了月球上存在這一期的火山作用。

這一年輕火山作用的確認，將月球的火山活動時間又在嫦娥五號玄武巖年齡的基礎上延長了近19億年，遠遠超出了以往的經驗推斷，這對以往的月球熱演化模式提出了更大的挑戰。到底是什么機制導致小小的月球會有如此長的火山活動歷史呢？這個問題必然會引起諸多的猜想，也會成為相當長時間內爭論的焦點。這3顆火山玻璃珠的化學組成可以為我們提供一定的源區特征信息，它們顯著富集鈉、鉀、磷以及稀土等不相容元素，表明其源區存在較高比例的KREEP（鉀+稀土+磷）組分，可以通過其較多的放射性元素衰變生熱，導致月幔局部熱異常，引發物質的部分熔融產生巖漿并噴出地表。可見，雖然在月球上沒有觀測到較大規模晚期巖漿活動，但仍存在局部升溫引起的小規模火山噴發。

嫦娥工程返回的月球樣品帶來了年輕月球火山活動產物，揭示了月球持久地質活力。帶著這個年輕月球火山活動的信息，當我們再次抬頭仰望這輪明月時，不再只是表面上的冷靜，似乎感受到她仍然存在火熱的內心。

（作者系中國科學院地質與地球物理研究所研究員）