賈斌

美國(guó)日前宣布將逐步打開(kāi)封存的月球樣品，利用新技術(shù)手段展開(kāi)研究。自1969年至1972年，美國(guó)先后成功進(jìn)行了6次載人登月，并帶回約382公斤月球樣品。借助這些樣品，人類(lèi)對(duì)月球有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。那么，幾十年來(lái)，我們從月球的樣品中得到了哪些信息呢？

日月安屬？月球起源大撞擊假說(shuō)的提出

戰(zhàn)國(guó)時(shí)楚國(guó)的詩(shī)人屈原在《天問(wèn)》中寫(xiě)道：“日月安屬？列星安陳？”向天發(fā)問(wèn)日月從哪里來(lái)、日月星辰為什么這樣排布？月球的起源，不僅讓詩(shī)人浮想聯(lián)翩，也是科學(xué)家十分關(guān)心的問(wèn)題。

1879年，著名生物學(xué)家達(dá)爾文的第二個(gè)兒子、天文學(xué)家喬治·達(dá)爾文提出，月球是由地球分裂出去的，他認(rèn)為幼年地球快速地自轉(zhuǎn)和太陽(yáng)的潮汐作用形成共振，足以將地球甩出去一部分，形成月球。但后來(lái)的學(xué)者通過(guò)計(jì)算得出，這種作用不能夠把地球的物質(zhì)拋出去。1952年，美國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者尤雷提出，月球和地球一樣，是由太陽(yáng)系原始的星塵匯聚而成的。隨后，又有學(xué)者提出共生理論、捕獲理論以及新的分裂理論等。但是，這些理論都存在非常大的缺陷，隨著對(duì)阿波羅計(jì)劃帶回的月球樣品的深入研究，被一一廢棄了。

阿波羅計(jì)劃帶回的382公斤的月球樣品有很多種，比如斜長(zhǎng)巖、玄武巖、橄欖巖等等。這說(shuō)明，月球是高度演化的，并不是一個(gè)混沌的大球。這就否定了尤雷的說(shuō)法，因?yàn)楦鶕?jù)他的假設(shè)，月球由冷的原始星塵匯聚而成，它不應(yīng)該有這么大程度的分異。月球起源的關(guān)鍵證據(jù)來(lái)自于對(duì)月球樣品化學(xué)組成的研究，尤其是氧同位素。

氧是一種非常常見(jiàn)的元素，我們每天都在和它打交道。一個(gè)氧原子的原子核里有8個(gè)質(zhì)子，它決定了氧元素的性質(zhì)，此外還有不同數(shù)目的中子，分別為8、9、10個(gè)。所以氧元素就有3種不同組成的原子核，分別記作16O、17O和18O，稱(chēng)為氧的三種同位素。在太陽(yáng)系中，由于不同星體的演化歷史不同，它們包含的氧同位素含量的比值和演化趨勢(shì)是不一樣的，所以可以通過(guò)測(cè)定氧同位素的比值來(lái)推測(cè)它們是否具有相同的起源。對(duì)阿波羅樣品的研究表明，地球和月球的巖石具有高度相似的氧同位素組成，這說(shuō)明它們來(lái)自于同一個(gè)母體。但地月之間又有不同之處，比如月球的鐵含量明顯偏低，易揮發(fā)組分偏低，而難熔元素又明顯偏高。

這些證據(jù)促使美國(guó)地質(zhì)學(xué)家哈特曼和戴維斯在1975年正式提出大撞擊理論。他們認(rèn)為在地球形成后不久，一個(gè)火星大?。ㄖ睆郊s1200公里）的小型星體快速與地球相撞，并拋射出約兩個(gè)月球質(zhì)量的物質(zhì)，一部分落回地球，一部分則在地球外凝結(jié)，形成了月球。在2000年，這個(gè)撞向地球的星體被命名為忒伊亞（希臘神話(huà)中月亮女神塞勒涅的母親）。在它們相撞的時(shí)候，地球已經(jīng)完成了地核和地幔的分化，即地球上的鐵元素大多已經(jīng)下沉到地核中，斜著飛過(guò)來(lái)的忒伊亞只是撞上了貧鐵的地幔，這就是月球鐵含量低的原因。而撞出去的巖石幾乎都變成了熔體甚至氣態(tài)，易揮發(fā)的元素比如氫、氯等揮發(fā)掉了，而難熔的元素，比如鈣、鋁等則非常富集。地月具有相同來(lái)源，所以它們的氧同位素組成一致。地球和月球的成分既有相同，又有不同，從而否定了共生說(shuō)和捕獲說(shuō)，因?yàn)檫@兩個(gè)學(xué)說(shuō)要求地月的組成要么完全相同，要么有巨大差異。

明月幾時(shí)有？揭開(kāi)月亮芳齡的奧秘

“明月幾時(shí)有，把酒問(wèn)青天”是宋代詩(shī)人蘇軾的疑問(wèn)，但顯然，他并沒(méi)有得到答案。不僅蘇軾不知道，直到大約一千年后，阿波羅號(hào)登月前，人們?nèi)匀徊恢涝虑蚴窃谑裁磿r(shí)候形成的。獲取月球的年齡，仍舊要借助阿波羅計(jì)劃采回的月球樣品。

大撞擊形成了大量的熔融物質(zhì)，由它凝結(jié)形成的月球幾乎也是一個(gè)熔融的大石球，科學(xué)家稱(chēng)之為巖漿海。后來(lái)，隨著溫度的降低，巖漿海逐漸冷凝結(jié)晶，形成晶體。不同的礦物結(jié)晶順序不一樣，比如橄欖石和輝石最先結(jié)晶，而且比較重，會(huì)沉到巖漿海的底部，組成了月幔。后結(jié)晶的斜長(zhǎng)石比較輕，漂浮在巖漿海的上方，就形成了斜長(zhǎng)巖組成的月殼。在月球冷卻以后，又遭受了大規(guī)模的隕石撞擊，斜長(zhǎng)巖的月殼被撞出大量的撞擊坑。后來(lái)，撞擊坑被深部來(lái)的玄武巖巖漿填充，就成了我們看到的月海，而斜長(zhǎng)巖質(zhì)的月殼就被稱(chēng)為高地。月海的玄武巖呈黑色，反光性差，而高地的斜長(zhǎng)巖為淺色，反光性好，這就形成了我們晚上看到的明亮而又有暗斑的月亮。月球年齡的秘密就隱藏在這些巖石之中。

阿波羅11、12、14號(hào)降落在月海之中，采回來(lái)的大都是玄武巖，年齡一般為30億～40億年。最老的玄武巖來(lái)自于阿波羅13號(hào)，為43億年。這說(shuō)明在30億年前左右，月球的火山活動(dòng)基本停止了，月表趨于沉寂。

2017年，一項(xiàng)新研究測(cè)定了阿波羅14號(hào)返回的幾塊月海玄武巖中鋯石的同位素組成。鋯石是一種非常穩(wěn)定的礦物，可以長(zhǎng)久地保存形成之初時(shí)的信息?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，根據(jù)鋯石中放射性同位素的衰變規(guī)律，推斷月球至少在45.1億年前的時(shí)候就已經(jīng)形成了。

我們目前發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系最古老的巖石是一塊未分異的球粒隕石，年齡為45.67億年。如果我們把這個(gè)時(shí)間作為太陽(yáng)系形成的時(shí)刻，那么月亮至少在太陽(yáng)系形成約5000萬(wàn)年后就已經(jīng)存在了。

根據(jù)阿波羅計(jì)劃返回的樣品以及其他的研究手段，我們可以勾勒出月亮早期的歷史：大約46億年前，太陽(yáng)系開(kāi)始形成，太陽(yáng)周?chē)写罅康乃樾級(jí)K體，也開(kāi)始慢慢集結(jié)，形成大的行星;大約在45.5億年前的時(shí)候，原始地球已經(jīng)成型，而且溫度很高，內(nèi)部地核和地幔開(kāi)始分化，鐵等較重的元素下沉形成地核;又過(guò)了幾千萬(wàn)年，一個(gè)叫忒伊亞的星體高速撞上地球，激起了大量物質(zhì)拋灑到地球周?chē)c忒伊亞星體凝結(jié)形成了月球，這個(gè)時(shí)間可能在45.3億年前左右，之后月球的巖漿海逐漸分異出自己的月核、月幔和月殼。在40億～38億年前，月球遭受了大量撞擊，表面形成了無(wú)數(shù)大大小小的撞擊坑，并被后來(lái)上涌的巖漿填充，形成暗色的月海。撞擊較輕的地方仍舊是明亮的高地。在30億年前左右，撞擊減少，月球的巖漿、構(gòu)造活動(dòng)也基本停止，月球的面貌就固定了下來(lái)。

現(xiàn)在，我們可以回答蘇軾的疑問(wèn)了：大約在45億年以前，月亮就已經(jīng)存在了，而在30億年前左右，它的面貌就基本固定下來(lái)了，從而讓古代的中國(guó)人根據(jù)月亮上的圖案想像出嫦娥、玉兔和桂樹(shù)的故事。

他山之石，可以攻玉 借助月巖研究地球早期環(huán)境

對(duì)地球的形成和演化的探索一直是地質(zhì)學(xué)研究的難點(diǎn)，因?yàn)榈厍蛏洗嬖诨钴S的板塊運(yùn)動(dòng)和風(fēng)化作用，古老的巖石基本上蕩然無(wú)存了。我們已知的最古老的地球物質(zhì)是來(lái)自于澳大利亞的一塊鋯石，年齡為44億年。僅憑這一塊鋯石，我們很難獲取幼年地球更多的信息。最古老的巖石在加拿大，年齡大約為40億年。但是它經(jīng)歷了很多期的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，原始信息大都被改造掉了。所以，研究地球早期的環(huán)境就要靠月球了。

從月球的巖石分析中，我們知道地球至少在45億年以前就已經(jīng)形成了，而且完成了地核和地幔的分化。并且大撞擊事件形成了月球的巖漿海，那么地球上也應(yīng)該有巖漿海，只不過(guò)地球巖漿海的證據(jù)被地球上的地質(zhì)活動(dòng)抹掉了。

更巧合的是，在2019年1月發(fā)表的一項(xiàng)研究中，瑞典、澳大利亞和美國(guó)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一塊阿波羅14號(hào)帶回的樣品中（編號(hào)14321），包含了一塊白色的巖塊，只有三四厘米，包含了鉀長(zhǎng)石、石英和鋯石。對(duì)這塊特殊巖塊的研究發(fā)現(xiàn)，如果它在月球形成，深度就應(yīng)該在月表170公里之下。而與它相連的14321號(hào)樣品其他部分形成深度不到70公里，這是矛盾的。另外，這個(gè)小巖塊形成的溫度較低，需要比較氧化的環(huán)境，這些都與14321號(hào)樣品其他部分形成于高溫、極度還原的環(huán)境是不符的。而從化學(xué)組成方面，它又和地球的物質(zhì)非常像。所以，科學(xué)家推測(cè)它可能形成于地球上，深度大約20公里，溫度約800℃，年齡大約40億年。后來(lái)，它被一次巨大的撞擊送到了地外，最終落在了月球上，又被阿波羅飛船帶回地球。尤其可貴的是，這塊樣品很好地保留了地球形成之初的信息，為我們打開(kāi)了一個(gè)認(rèn)識(shí)早期地球組成的窗口。

據(jù)悉，中國(guó)發(fā)射的“嫦娥五號(hào)”從月球上采樣2千克月巖回到地球，不僅包括土壤，還有巖石，甚至還有鉆探獲取的巖芯。這必將給月球樣品研究帶來(lái)新的熱潮，也一定會(huì)揭開(kāi)更多有關(guān)月球的奧秘。

（梁衍軍摘自2019年12月11日《北京日?qǐng)?bào)》）