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月球形成于約45億年以前，但其質(zhì)量只有地球的～1%。如此小的天體，理論上應快速冷卻而早早地停止火山活動。然而，近日，中國科學家通過對嫦娥五號玄武巖的研究，證實月球火山活動可以持續(xù)到20億年前，刷新了人類對月球巖漿活動和熱演化歷史的認知，并提出了新的科學問題即月球火山活動為什么持續(xù)如此之久。相關研究成果發(fā)表在Science Advances上。

月球玄武巖是月幔部分熔融形成的巖漿經(jīng)火山噴發(fā)至月球表面冷卻結(jié)晶形成的巖石。對持續(xù)冷卻的月球來講，月幔發(fā)生部分熔融有兩種可能的途徑，即加熱（如放射性元素生熱）與降低熔點（如月幔富含水或其他揮發(fā)分）。學術界曾采用撞擊坑定年法，預測富含放射性元素的風暴洋克里普地體中的一些區(qū)域仍有年輕火山活動。主流假說認為，放射性元素生熱是維持月球年輕火山活動的主要機制。然而，最近對同樣來自風暴洋克里普地體的嫦娥五號玄武巖的研究揭示其月幔源區(qū)不富含放射性生熱元素，直接否定了這一假說；同時，研究發(fā)現(xiàn)嫦娥五號玄武巖的源區(qū)非常“干”，進一步排除了月幔富含水而降低熔點這一猜想。因此，月球火山活動為什么持續(xù)如此之久，成為新一輪月球研究中的未解之謎。

月幔發(fā)生部分熔融的本質(zhì)是月幔溫度超過其固相線。因此，月球火山活動既可以通過其他加熱作用（如潮汐作用和沖擊作用），使得月幔升溫至固相線以上再熔融，又可以通過改變月幔源區(qū)物質(zhì)組成，使得固相線向低溫方向移動，從而誘發(fā)月幔熔融。破解月球年輕火山成因的突破口在于準確限定巖漿起源的溫度和壓力、恢復其源區(qū)組成，并在此基礎上與古老阿波羅玄武巖進行對比，重建月球熱-巖漿演化模型。限定嫦娥五號玄武巖的起源溫度和壓力，恢復其初始巖漿成分是關鍵。

基于這一研究思路，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員蘇斌、研究員陳意和工程師原江燕，聯(lián)合研究員楊蔚、R.N.Mitchell，副研究員王浩、田恒次，中科院院士李獻華、吳福元，以及南京大學教授惠鶴九，選取27顆代表性嫦娥五號玄武巖巖屑（粒徑大、內(nèi)部礦物顆粒多、分布均勻），采用新研發(fā)的掃描電鏡能譜定量掃描技術分析了巖屑的全巖主量成分，結(jié)合一系列巖漿分離結(jié)晶模擬和熱力學模擬計算，恢復了嫦娥五號玄武巖和阿波羅低鈦玄武巖的初始巖漿成分，限定了不同時期月球火山巖的幔部源區(qū)組成，獲得了它們?nèi)廴诘臏貕簵l件，并取得如下認識：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高CaO和TiO2以及更低MgO；與阿波羅低鈦玄武巖相比，嫦娥五號玄武巖的源區(qū)含有更高的（～20%）巖漿洋晚期形成的單斜輝石-鈦鐵礦堆晶體，而它們的加入會顯著降低月幔的熔點，誘發(fā)年輕火山的形成；嫦娥五號玄武巖與阿波羅玄武巖起源深度大致相當，但嫦娥五號玄武巖的形成溫度更低，指示月球內(nèi)部溫度從38-31億年前到20億年前僅降低了～80℃。

研究表明，盡管月球內(nèi)部在持續(xù)緩慢冷卻，但由于巖漿洋晚期堆晶體翻轉(zhuǎn)引起的月幔物質(zhì)混合作用可能在月球長期演化歷史中逐漸加強，這一過程可改變月幔源區(qū)物質(zhì)組成，并可有效降低源區(qū)巖石的熔點，抵消月幔逐漸緩慢變冷的大趨勢，引發(fā)長期持續(xù)的月球火山作用。該工作量化了月球內(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全新的機制，深化了科學家對月球的起源和熱演化歷史的認知。

標簽： 玄武巖的 月球火山 火山活動