2021-03-10
孫家軒整理
專家信息：車曉超，中國科學(xué)院地質(zhì)研究所 北京離子探針中心，助理研究員
研究方向：同位素年代學(xué)、行星科學(xué)
教育經(jīng)歷：2009年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）獲地球化學(xué)學(xué)士學(xué)位，2013年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（北京）獲地球化學(xué)碩士學(xué)位，2019年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀宇宙化學(xué)博士學(xué)位
參與項目：Apollo、Luna月球返回樣品的年代學(xué)分析、地外樣品的處理與保存
孫老師：
同學(xué)們好，我們繼續(xù)來講今天的課程，在課程之前，我們來進(jìn)行最后一次深空系列的專家進(jìn)課堂活動。今天我們特別榮幸地邀請到了中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所、北京離子探針中心的車曉超老師。我為他也起了個名字——“給月球定年的人”。
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孫老師您好，多謝介紹！各位同學(xué)好！
孫老師：
車?yán)蠋煟鷧⒓舆^Apollo和Luna月球返回樣品的測試工作，我們知道前一段時間嫦娥五號返回的樣品也進(jìn)行了定年工作，你們這些工作的定年方法是一樣的嗎？您主要是用什么手段呢？
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好的孫老師，那我共享一下屏幕。大家能看到我的屏幕嗎？我把激光筆調(diào)一下。
好的，目前來說同學(xué)們關(guān)于嫦娥五號事兒已經(jīng)看了很多相關(guān)的科普內(nèi)容，以及類似學(xué)術(shù)報告的內(nèi)容，它提到了一個非常年輕的年齡（上期），可能是月表最年輕的年齡。這個年齡目前來說跟之前的像Apollo的年齡跟Luna的年齡還不是特別一樣。
比如現(xiàn)在我們說Apollo樣品或者一個月球隕石樣品是多少億年，這個年齡都是用同位素的方法測出來的。以我們實驗室為例，我們是用U-Pb法，也就是238U和235U分別衰變到206Pb和207Pb這兩個系列，通過這兩個系列來測試它的年齡。我們的主要研究對象就是這個月巖里含有U元素的礦物——也就是鋯石或者磷灰石。右上角這張圖片就是鋯石，當(dāng)然月球里的鋯石是沒有這么漂亮這么大的。我右下角放的這張圖是Apollo 17采回的巖石里面挑出的鋯石，它相對來說已經(jīng)很大了。
我們具體的研究方法是通過一些顯微鏡，比如電子顯微鏡、光學(xué)顯微鏡的手段從月球樣品里面找到這些含U的礦物，也就是這些鋯石、磷灰石或者是其它的礦物，把這些礦物放到離子探針和原子探針里面去。我們可以測試出來一個比值——像Pb和U的比值。我們又已經(jīng)知道了半衰期的數(shù)值，代入公式最后就可以得到一個年齡，這個年齡是測出來的同位素年齡。但是目前嫦娥的數(shù)據(jù)，實際上嫦娥著陸地點的數(shù)據(jù)我們在采樣之前已經(jīng)大體推測出來了——它有可能是月球上最年輕的一個數(shù)據(jù)。它當(dāng)時還不是同位素數(shù)據(jù)，同位素數(shù)據(jù)可能再過一兩個月就有了，它當(dāng)時是通過模型計算出來的結(jié)果。這個模型是通過隕石坑統(tǒng)計計算出來的。
這些數(shù)據(jù)是通過月球衛(wèi)星，也就是環(huán)繞月球的軌道器用相機(jī)拍下來的，它拍下來可見光波段的照片，然后對上面隕石坑的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。這個方法有一個前提條件，就是月球形成至今大概45億年左右，表面無時無刻不被隕石撞擊。所以說我們要判斷月球表面上一個區(qū)域跟另一個區(qū)域的相對偏老、偏新，實際上我們只需要統(tǒng)計它表面隕石坑的數(shù)量就可以了。比如說左下角這張圖，它是月表上一個叫威海的盆地，這個盆地中心是比較光滑的，表面上隕石坑很少，但邊上坑坑洼洼的，隕石坑很多。我們可以通過這個信息來判斷它中心位置的年齡肯定是比邊上的年齡要年輕的，因為它隕石坑少。所以說這是一個相對年齡——我們知道哪個更新哪個更老。
但是我們怎么把數(shù)字對得上去呢，我們就需要像之前美國的Apollo計劃以及前蘇聯(lián)的Luna計劃采集的樣品以及咱們的嫦娥計劃采集到的樣品，得到的同位素數(shù)據(jù)，我們把它們標(biāo)定在每個不同的盆地。比如我以這個盆地為例，我們跟這個區(qū)域采了一個樣品，測定它的年齡是35億年，同時我們跟這個點還可以得到一些其它的數(shù)據(jù)，假設(shè)這個坑的直徑是500公里，500公里的坑表面可以數(shù)到大概是5萬個巖石坑，這樣我們就得到了1個數(shù)據(jù)，1個數(shù)據(jù)里面包含3個信息——一個是年齡、一個是坑的直徑、還有一個是坑表面上隕石坑的數(shù)量。然后我們可以在另外一個區(qū)域再采一個樣，我們測出的年齡是37億年，直徑假設(shè)是800公里，表面隕石坑是10萬個，這樣我們就得到了第二個數(shù)據(jù)，這兩個數(shù)據(jù)分別包含了三個信息。
Apollo跟Luna分別有9次采樣返回計劃，覆蓋月球的點也挺多的。通過這9次返回的計劃，分別采集了不同撞擊盆地的樣品，把這些信息匯總到一張圖上，擬合出了這楊一條曲線。之后如果我們想對月表的某個區(qū)域給它定年的話，即便這個區(qū)域沒有樣品，我們只需要知道這個地體的直徑大概是多少，以及地體上大概覆蓋的隕石坑的數(shù)量，就可以把這兩個指標(biāo)投在這個圖上，交匯的位置就可以大體得到一個絕對年齡。這張圖就是咱們嫦娥五號取樣位置的圖，嫦娥五號大概落在這個位置上。這個位置通過隕石坑統(tǒng)計的方法得到的年齡大概是12億年，比我們樣品測出來的年齡要年輕太多了。樣品目前能測出來最年輕的年齡，就是巖漿事件的年齡大概只能到28.7億年，但遙感的數(shù)據(jù)可以給到12億年左右。這個就是我們之前提到的嫦娥“年輕”數(shù)據(jù)的來源以及計算過程。
孫老師：
嗯好的，所以說其實在我們嫦娥采樣之前，所有的數(shù)據(jù)都是推斷的，而我們嫦娥數(shù)據(jù)采樣后會讓曲線更加地精準(zhǔn)。如果下次再想得到哪個位置的年齡的話，就可以通過這個曲線得到更加準(zhǔn)確的年齡。因為在此之前我們是沒有那個特別年輕的點的，我們知道線段越短，得到的年齡誤差可能就會越大，對嗎車?yán)蠋煟?/span>
車?yán)蠋煟?/strong>
對對，我們可以看那張圖，在30億年之前有不少據(jù)點，在幾個百萬年的地方有不少數(shù)據(jù)點，而中間橫跨30億年都是沒有數(shù)據(jù)的，所以咱們嫦娥樣品對這條線來說就已經(jīng)是非常重要了。
孫老師：
嗯，好的。我剛才聽您說我們得到的大致年齡其實是某些星體對月球撞擊的年齡，那通過您這么多樣品的研究，月球到底經(jīng)歷了多少個地質(zhì)事件，有沒有像地球上地質(zhì)年代表一樣的，月球有沒有自己的“月球地質(zhì)年代表”呢？
車?yán)蠋煟?/strong>
對對，正如孫老師所說，不僅月球有自己的地質(zhì)年代表，實際上很多類地行星像金星、火星都有自己的地質(zhì)年代表。但是像月球、金星、火星，目前來說，它的研究程度相對地球來說低太多了，所以說它畫出來的地質(zhì)年代也比地球粗糙多得多。我們以地球為例，地球上不同的地質(zhì)年代的劃分主要是根據(jù)重大地質(zhì)事件的出現(xiàn)或者結(jié)束作為標(biāo)尺進(jìn)行劃分。比如說前寒武和寒武紀(jì)就是以生命大爆發(fā)劃分的，也就是5.41億年左右；二疊、三疊就是以生物滅絕事件劃分的，也就是2.52億年。白堊和古近紀(jì)大家可能都知道，也就是根據(jù)小行星撞擊地球，導(dǎo)致恐龍滅絕的時間畫出來的。但是月球相對地球有所不同，因為月球表面基本上沒有水圈、沒有生物圈、也沒有大氣圈，嚴(yán)格上來說是有的，但是非常非常地少。所以說月球形貌改變主要與兩件事兒有關(guān)，一個是小行星撞擊地表的結(jié)果，另外一個是巖漿噴發(fā)的結(jié)果。所以說目前來說，月球上地質(zhì)年代表主要還是隕石大型撞擊盆地的年齡來劃分的。
這是一個月球地質(zhì)年代表，我們可以看到78年到01年的變化是非常非常大的，這主要是因為咱們的測試手段越來越先進(jìn)了，樣品代表性解釋的也，越來越通暢了。比如說云海這個位置，它主要是根據(jù)云海盆地的這個年齡劃出來的，在這個位置上。比如這個哥白尼紀(jì)和愛拉托遜紀(jì)的界限就是根據(jù)哥白尼坑的年齡計算的，這個年齡現(xiàn)在也是推測的，所以變化非常大的——1.0、1.5到0.8。最老的前酒海紀(jì)就是根據(jù)就前酒海紀(jì)盆地和它之前的劃出來的。所以目前來說，月球的研究程度相對來說是非常低的，這種地層手段也只是相對妥協(xié)的一種方案。
孫老師：
嗯嗯好的。我們這些學(xué)生都是地質(zhì)類的，其實很多做月球樣品的人也是地質(zhì)相關(guān)的專業(yè)。我們在地質(zhì)學(xué)、礦物巖石學(xué)上面會認(rèn)很多礦物、學(xué)很多理論，但同學(xué)們可能會困惑：以后如果去做天體研究，以前學(xué)習(xí)的地球上的礦物以及理論——比如鮑文反應(yīng)序列等，還可以運用到天體的研究上嗎？
車?yán)蠋煟?/strong>
嗯嗯，肯定是可以的。首先地球和月球研究這兩件事實際上是分不開的。從咱們的視野上看月球可能覺得很遠(yuǎn)，大概隔了38萬公里。但是如果站在太陽系的尺度上，實際上月球和地球就是一個點。我們研究月球的另一個目的其實是研究地球，我們要通過月球上的事件研究月球上的可能發(fā)生的事件。首先從礦物理論上來講，地球上的礦物遵循的規(guī)律和月球、火星、甚至太陽系形成之前星系里的礦物都是一致的，我們遵循的理論也是一樣的。
我們以月球為例，月球上有一個非常重要的理論就是巖漿巖理論。巖漿巖理論大家可能了解過，就是大概44-45億年之間有一個火星大小的小行星撞到了地球上，殘留的碎片形成了月球。由于撞擊的能量非常大，月球早期實際上是一個熔體，一個巖漿球，所以巖漿球冷卻的過程中是要遵循基本的礦物規(guī)律的。比如最開始的冷卻過程中，從鮑文反應(yīng)序列來說，凝結(jié)出來的是熔點比較高的礦物——比如橄欖石。橄欖石先結(jié)晶出來，它的密度比較大，就沉下去了。之后會形成一些輝石，大體上就是在月球凝結(jié)到75%左右的時候，因為主要的鎂鐵元素相當(dāng)一部分都被橄欖石和輝石帶走了，所以當(dāng)時熔體的成分更接近鈣和鋁，就開始凝結(jié)出斜長石、鈣長石。由于鈣長石的密度比熔體要低，就會上浮累積成斜長巖的月殼，慢慢累積成一定厚度，大概在月球冷卻到90%的時候就會形成鈦鐵礦。鈦鐵礦的密度相對輝石橄欖石高，它也會沉下去，將之前的層序破壞掉，之前的橄欖石和輝石會上浮，導(dǎo)致月幔的反轉(zhuǎn)。最后凝結(jié)到95%左右的時候，月球最后一層，一種特殊的巖石克里普巖——一種富稀土、富磷、富鉀的巖石，在最后時刻開始凝結(jié)，這也就標(biāo)志著月球巖漿巖冷卻的結(jié)束。
我們看到月球這么大個，但實際上它的成因、圈層分異過程，也是可以通過很簡單的礦物學(xué)理論解釋出來的。類地行星的復(fù)雜程度主要與它的大小有關(guān)系，因為越大內(nèi)部可以積蓄的能量就越大，能量越大可以產(chǎn)生出的作用就越多。比如地球足夠大，它產(chǎn)生了地幔柱、板塊作用，表面上也會有更劇烈的風(fēng)化侵蝕作用。地球上因為這種作用很多、種類也很豐富，所以演化出來的礦物種類也更加地豐富了，可能有幾千種。但是月球很小，它的作用種類也很少，火星也不大，礦物種類相對來說也是比較匱乏的。所以通過研究、學(xué)習(xí)地球上的礦物、學(xué)習(xí)它們的結(jié)晶礦物學(xué)轉(zhuǎn)到研究月球、火星上，實際上復(fù)雜程度是降低的，可能會更加得心應(yīng)手。
孫老師：
好的，感謝車?yán)蠋煟∧裉旖o我們帶來了非常非常多的月球信息，希望隨著嫦娥五號的返回，希望車?yán)蠋熞灿袡C(jī)會去做嫦娥五號的樣品，讓剛才的模型曲線更加地精確，讓我們以后只要指著月球的某一個地方，就可以估算出它的大致年齡是多少，感謝車?yán)蠋煟?/span>
