专家走进《造岩矿物学》课堂之月岩的定年

2021-03-10

由孙家轩整理 

专家信息：

车晓超

中国科学院地质研究所 北京离子探针中心

助理研究员

                                     研究方向：

同位素年代学、行星科学

                                     教育经历：

2009年毕业于中国地质大学（北京）获地球化学学士学位

2013年毕业于中国地质大学（北京）获地球化学硕士学位

2019年于中国科学技术大学攻读宇宙化学博士学位

                                     参与项目：

Apollo、Luna月球返回样品的年代学分析、地外样品的处理与保存

孙老师：

同学们好，我们继续来讲今天的课程，在课程之前，我们来进行最后一次深空系列的专家进课堂活动。今天我们特别荣幸地邀请到了中国地质科学院地质研究所、北京离子探针中心的车晓超老师。我为他也起了个名字——“给月球定年的人”。

车老师您好！

车老师：

孙老师您好，多谢介绍！各位同学好！

孙老师：

车老师，您参加过Apollo和Luna月球返回样品的测试工作，我们知道前一段时间嫦娥五号返回的样品也进行了定年工作，你们这些工作的定年方法是一样的吗？您主要是用什么手段呢？

车老师：

好的孙老师，那我共享一下屏幕。大家能看到我的屏幕吗？我把激光笔调一下。

好的，目前来说同学们关于嫦娥五号事儿已经看了很多相关的科普内容，以及类似学术报告的内容，它提到了一个非常年轻的年龄（上期），可能是月表最年轻的年龄。这个年龄目前来说跟之前的像Apollo的年龄跟Luna的年龄还不是特别一样。

比如现在我们说Apollo样品或者一个月球陨石样品是多少亿年，这个年龄都是用同位素的方法测出来的。以我们实验室为例，我们是用U-Pb法，也就是238U和235U分别衰变到206Pb和207Pb这两个系列，通过这两个系列来测试它的年龄。我们的主要研究对象就是这个月岩里含有U元素的矿物——也就是锆石或者磷灰石。右上角这张图片就是锆石，当然月球里的锆石是没有这么漂亮这么大的。我右下角放的这张图是Apollo 17采回的岩石里面挑出的锆石，它相对来说已经很大了。

我们具体的研究方法是通过一些显微镜，比如电子显微镜、光学显微镜的手段从月球样品里面找到这些含U的矿物，也就是这些锆石、磷灰石或者是其它的矿物，把这些矿物放到离子探针和原子探针里面去。我们可以测试出来一个比值——像Pb和U的比值。我们又已经知道了半衰期的数值，代入公式最后就可以得到一个年龄，这个年龄是测出来的同位素年龄。但是目前嫦娥的数据，实际上嫦娥着陆地点的数据我们在采样之前已经大体推测出来了——它有可能是月球上最年轻的一个数据。它当时还不是同位素数据，同位素数据可能再过一两个月就有了，它当时是通过模型计算出来的结果。这个模型是通过陨石坑统计计算出来的。

这些数据是通过月球卫星，也就是环绕月球的轨道器用相机拍下来的，它拍下来可见光波段的照片，然后对上面陨石坑的数量进行统计。这个方法有一个前提条件，就是月球形成至今大概45亿年左右，表面无时无刻不被陨石撞击。所以说我们要判断月球表面上一个区域跟另一个区域的相对偏老、偏新，实际上我们只需要统计它表面陨石坑的数量就可以了。比如说左下角这张图，它是月表上一个叫威海的盆地，这个盆地中心是比较光滑的，表面上陨石坑很少，但边上坑坑洼洼的，陨石坑很多。我们可以通过这个信息来判断它中心位置的年龄肯定是比边上的年龄要年轻的，因为它陨石坑少。所以说这是一个相对年龄——我们知道哪个更新哪个更老。

但是我们怎么把数字对得上去呢，我们就需要像之前美国的Apollo计划以及前苏联的Luna计划采集的样品以及咱们的嫦娥计划采集到的样品，得到的同位素数据，我们把它们标定在每个不同的盆地。比如我以这个盆地为例，我们跟这个区域采了一个样品，测定它的年龄是35亿年，同时我们跟这个点还可以得到一些其它的数据，假设这个坑的直径是500公里，500公里的坑表面可以数到大概是5万个岩石坑，这样我们就得到了1个数据，1个数据里面包含3个信息——一个是年龄、一个是坑的直径、还有一个是坑表面上陨石坑的数量。然后我们可以在另外一个区域再采一个样，我们测出的年龄是37亿年，直径假设是800公里，表面陨石坑是10万个，这样我们就得到了第二个数据，这两个数据分别包含了三个信息。

Apollo跟Luna分别有9次采样返回计划，覆盖月球的点也挺多的。通过这9次返回的计划，分别采集了不同撞击盆地的样品，把这些信息汇总到一张图上，拟合出了这杨一条曲线。之后如果我们想对月表的某个区域给它定年的话，即便这个区域没有样品，我们只需要知道这个地体的直径大概是多少，以及地体上大概覆盖的陨石坑的数量，就可以把这两个指标投在这个图上，交汇的位置就可以大体得到一个绝对年龄。这张图就是咱们嫦娥五号取样位置的图，嫦娥五号大概落在这个位置上。这个位置通过陨石坑统计的方法得到的年龄大概是12亿年，比我们样品测出来的年龄要年轻太多了。样品目前能测出来最年轻的年龄，就是岩浆事件的年龄大概只能到28.7亿年，但遥感的数据可以给到12亿年左右。这个就是我们之前提到的嫦娥“年轻”数据的来源以及计算过程。

孙老师：

嗯好的，所以说其实在我们嫦娥采样之前，所有的数据都是推断的，而我们嫦娥数据采样后会让曲线更加地精准。如果下次再想得到哪个位置的年龄的话，就可以通过这个曲线得到更加准确的年龄。因为在此之前我们是没有那个特别年轻的点的，我们知道线段越短，得到的年龄误差可能就会越大，对吗车老师？

车老师：

对对，我们可以看那张图，在30亿年之前有不少据点，在几个百万年的地方有不少数据点，而中间横跨30亿年都是没有数据的，所以咱们嫦娥样品对这条线来说就已经是非常重要了。

孙老师：

嗯，好的。我刚才听您说我们得到的大致年龄其实是某些星体对月球撞击的年龄，那通过您这么多样品的研究，月球到底经历了多少个地质事件，有没有像地球上地质年代表一样的，月球有没有自己的“月球地质年代表”呢？

车老师：

对对，正如孙老师所说，不仅月球有自己的地质年代表，实际上很多类地行星像金星、火星都有自己的地质年代表。但是像月球、金星、火星，目前来说，它的研究程度相对地球来说低太多了，所以说它画出来的地质年代也比地球粗糙多得多。我们以地球为例，地球上不同的地质年代的划分主要是根据重大地质事件的出现或者结束作为标尺进行划分。比如说前寒武和寒武纪就是以生命大爆发划分的，也就是5.41亿年左右；二叠、三叠就是以生物灭绝事件划分的，也就是2.52亿年。白垩和古近纪大家可能都知道，也就是根据小行星撞击地球，导致恐龙灭绝的时间画出来的。但是月球相对地球有所不同，因为月球表面基本上没有水圈、没有生物圈、也没有大气圈，严格上来说是有的，但是非常非常地少。所以说月球形貌改变主要与两件事儿有关，一个是小行星撞击地表的结果，另外一个是岩浆喷发的结果。所以说目前来说，月球上地质年代表主要还是陨石大型撞击盆地的年龄来划分的。

这是一个月球地质年代表，我们可以看到78年到01年的变化是非常非常大的，这主要是因为咱们的测试手段越来越先进了，样品代表性解释的也，越来越通畅了。比如说云海这个位置，它主要是根据云海盆地的这个年龄划出来的，在这个位置上。比如这个哥白尼纪和爱拉托逊纪的界限就是根据哥白尼坑的年龄计算的，这个年龄现在也是推测的，所以变化非常大的——1.0、1.5到0.8。最老的前酒海纪就是根据就前酒海纪盆地和它之前的划出来的。所以目前来说，月球的研究程度相对来说是非常低的，这种地层手段也只是相对妥协的一种方案。

孙老师：

嗯嗯好的。我们这些学生都是地质类的，其实很多做月球样品的人也是地质相关的专业。我们在地质学、矿物岩石学上面会认很多矿物、学很多理论，但同学们可能会困惑：以后如果去做天体研究，以前学习的地球上的矿物以及理论——比如鲍文反应序列等，还可以运用到天体的研究上吗？

车老师：

嗯嗯，肯定是可以的。首先地球和月球研究这两件事实际上是分不开的。从咱们的视野上看月球可能觉得很远，大概隔了38万公里。但是如果站在太阳系的尺度上，实际上月球和地球就是一个点。我们研究月球的另一个目的其实是研究地球，我们要通过月球上的事件研究月球上的可能发生的事件。首先从矿物理论上来讲，地球上的矿物遵循的规律和月球、火星、甚至太阳系形成之前星系里的矿物都是一致的，我们遵循的理论也是一样的。

我们以月球为例，月球上有一个非常重要的理论就是岩浆岩理论。岩浆岩理论大家可能了解过，就是大概44-45亿年之间有一个火星大小的小行星撞到了地球上，残留的碎片形成了月球。由于撞击的能量非常大，月球早期实际上是一个熔体，一个岩浆球，所以岩浆球冷却的过程中是要遵循基本的矿物规律的。比如最开始的冷却过程中，从鲍文反应序列来说，凝结出来的是熔点比较高的矿物——比如橄榄石。橄榄石先结晶出来，它的密度比较大，就沉下去了。之后会形成一些辉石，大体上就是在月球凝结到75%左右的时候，因为主要的镁铁元素相当一部分都被橄榄石和辉石带走了，所以当时熔体的成分更接近钙和铝，就开始凝结出斜长石、钙长石。由于钙长石的密度比熔体要低，就会上浮累积成斜长岩的月壳，慢慢累积成一定厚度，大概在月球冷却到90%的时候就会形成钛铁矿。钛铁矿的密度相对辉石橄榄石高，它也会沉下去，将之前的层序破坏掉，之前的橄榄石和辉石会上浮，导致月幔的反转。最后凝结到95%左右的时候，月球最后一层，一种特殊的岩石克里普岩——一种富稀土、富磷、富钾的岩石，在最后时刻开始凝结，这也就标志着月球岩浆岩冷却的结束。

我们看到月球这么大个，但实际上它的成因、圈层分异过程，也是可以通过很简单的矿物学理论解释出来的。类地行星的复杂程度主要与它的大小有关系，因为越大内部可以积蓄的能量就越大，能量越大可以产生出的作用就越多。比如地球足够大，它产生了地幔柱、板块作用，表面上也会有更剧烈的风化侵蚀作用。地球上因为这种作用很多、种类也很丰富，所以演化出来的矿物种类也更加地丰富了，可能有几千种。但是月球很小，它的作用种类也很少，火星也不大，矿物种类相对来说也是比较匮乏的。所以通过研究、学习地球上的矿物、学习它们的结晶矿物学转到研究月球、火星上，实际上复杂程度是降低的，可能会更加得心应手。

孙老师：

好的，感谢车老师！您今天给我们带来了非常非常多的月球信息，希望随着嫦娥五号的返回，希望车老师也有机会去做嫦娥五号的样品，让刚才的模型曲线更加地精确，让我们以后只要指着月球的某一个地方，就可以估算出它的大致年龄是多少，感谢车老师！