新发现的火山玻璃珠：揭示月球持久地质活力

“骝马新跨白玉鞍，战罢沙场月色寒”，“青女素娥俱耐冷，月中霜里斗婵娟”。古代诗人早已用细腻笔触描绘出月亮清冷之感，这般意境，恰似那自身不再产生热量的星球。月球诞生于约45亿年前的大撞击事件，由被甩出的碎片聚集而成，质量仅相当于地球的1.2%。直观想象，这般体积较小的星球热量散失会较快。若把岩浆比作星球的血液，那月球的“血液”可能迅速凝固，使其丧失地质生命力。要了解月球的地质演化寿命，就需要研究月球采回样品及月球陨石，去寻找最年轻的月球岩浆活动产物。

从20世纪60年代起，美国阿波罗（Apol o）计划和苏联月球号（Luna）带回的9次月球样品，以及收集到的所有月球陨石，其岩石年龄都在30亿年以上。因此，在我国嫦娥工程返回样品之前，学界曾认为月球的地质生命约30亿年前就已结束。2020年12月17日，我国嫦娥五号返回器将采集的月球样品带回地球，首次实现我国地外天体采样返回，也是人类时隔44年再次将月球样品带回地球。经精确定年，嫦娥五号带回的玄武岩样品被证明为20.3±0.04亿年前喷发，表明月球在20亿年前仍有大规模岩浆活动。这一发现把月球的地质生命延长了约10亿年，打破了传统认知。而嫦娥六号从月背首次返回样品，揭示了28亿年前的火山活动，同样比阿波罗时代样品更年轻。这不禁让人思考，20亿年前是否就是月球地质生命的终点？当月球仅存的“血液”无法支持大规模的火山活动时，它是否还存在小规模的火山喷发？

月球火山活动的产物除了较大规模岩浆活动形成的岩石，也有较小规模火山喷泉带来的火山碎屑。火山喷泉的形成过程是富集挥发分的岩浆在上升过程中因压力降低而发生去气作用，在月表以下几百米处达到饱和蒸气压，此时岩浆呈现为一种气溶胶状态，发生熔浆碎片化，并以爆发形式喷出月表后快速冷却，从而形成火山玻璃珠。因此，火山玻璃珠也是岩浆作用的一种产物，对其进行定年也可以追溯月球岩浆活动历史。此外，由于火山玻璃珠通常仅有几十到几百微米大小，月球上广泛的陨石冲击作用会使其四散分布。这意味着，即使我们并未着陆在火山喷泉附近，在返回的月壤样品中仍可能存在远距离搬运而来的火山玻璃珠。如果能在这些样品中发现更年轻的火山玻璃珠，则就进一步证明月球地质活动仍在持续。

尽管这个想法很好，但困难很大。众所周知，月球表面最显著的特征就是布满了由大小不等的陨石以平均约20千米/秒的速度撞击所形成的撞击坑。如此高能量的冲击会熔融月表岩石或月壤，从而形成普遍存在的冲击玻璃珠。因此，要从大量的冲击玻璃珠中分辨出少量火山玻璃珠是很困难的。在无法确定嫦娥五号月壤中是否存在火山玻璃珠的前提下，找到年轻的火山玻璃珠更是难上加难。

中国科学院地质与地球物理研究所的研究团队在约3克嫦娥五号月壤中挑选出了约3000颗玻璃珠。先前对阿波罗样品中玻璃珠的研究为其提供了丰富的成因判别标准。例如，存在没有完全熔融而残留矿物包裹体的玻璃珠必然是冲击成因的，这样的玻璃珠占到了总数的75%以上。剩余的大约800颗玻璃珠显示出均匀结构，进一步通过电子探针进行了成分分析。结合阿波罗任务带回的火山玻璃成分范围，研究人员遴选出13颗化学组成符合前人基于主量元素制定的火山成因判别标准的候选颗粒。在微量元素上，尤其是镍（Ni）元素，由岩浆演化而成的组分通常表现出Ni含量与MgO含量之间的正相关趋势；而由于月壤中存在高镍含量的陨石残留组分，冲击玻璃珠通常具有高镍含量特点。通过对这13颗玻璃珠的微量元素分析，进一步筛选出6颗符合火山成因微量元素判别标准的“火山玻璃珠”。然而，这些判别标准只是识别火山玻璃珠的必要条件而非充分条件，要确认一颗玻璃珠确实为火山成因，还需要更多的证据支持。

元素的同位素特征带有样品的“指纹”信息，能够记录源区信息和改造过程。硫（S）元素有4个稳定的同位素（32S，33S，34S，36S），其中32S占到约95%，34S约占4.2%。硫元素具有强挥发性，火山玻璃和月壤样品的硫含量仅约玄武岩中的一半，说明它们在形成过程中均发生了硫的丢失。在丢失过程中不同质量的同位素丢失快慢不同，造成34S/32S比值的变化，称为同位素的分馏。国际上以美国亚利桑那铁陨石中陨硫铁（FeS）的34S/32S同位素比值为标准，其他样品相对这个值的千分偏差用来表示其硫同位素值（δ34S）。阿波罗样品中的火山玻璃的硫同位素呈现偏负的特征，即火山玻璃在硫的丢失过程中34S丢失得更多，且与硫含量呈现正相关关系，即S含量越低δ34S越负。相比之下，月球火成岩及陨硫铁的δ34S均接近0‰，以此为原材料被撞击形成的月球风化壳具有显著偏正的硫同位素，说明这些岩石在经历撞击风化过程中32S丢失得更多。可以想象，冲击玻璃珠以具有重硫同位素的风化壳为原材料，熔融过程中再次较多地丢失32S，则其硫同位素应该向更重硫同位素方向发生分馏。嫦娥五号样品中经主量成分确认为冲击玻璃珠的S同位素，分析结果验证了这一假设，发现其S同位素较重且与S含量呈负相关趋势，符合理论预测。因此，S同位素特征可以作为区分玻璃珠成因的关键证据。对筛选出的6颗潜在火山玻璃珠进行S同位素分析，发现只有3颗其δ34S是负值，在-12.3‰到-9.5‰之间。结合结构——成分——主量——微量——同位素多方面判据，可以判断这3颗为火山玻璃珠。

通过离子探针对这3颗火山玻璃珠进行了U-Pb同位素体系的定年，得到了123±15Ma（百万年前）的年龄。这一年轻年龄可能会引发疑问，是否可能是由于后期撞击作用导致的改造？这可以从三个方面来排除这种可能性。一是这3颗玻璃珠相对完整，仅有一颗发生了脆性断裂，没有被显著冲击改造的痕迹；二是铷（Rb）的挥发性与铅（Pb）类似，这3颗玻璃珠的Rb含量显著高于其他冲击玻璃珠，显示没有发生Rb的显著丢失，因此Pb也没有受到显著影响；三是这些玻璃珠具有显著偏负的硫同位素特征。如果经历了撞击导致的物质丢失，硫同位素会向更重的方向分馏，而观察到的结果并不支持这一点。因此可以判断这个年龄就是3颗火山玻璃珠的形成时间，代表了月球上存在这一期的火山作用。

这一年轻火山作用的确认，将月球的火山活动时间又在嫦娥五号玄武岩年龄的基础上延长了近19亿年，远远超出了以往的经验推断，这对以往的月球热演化模式提出了更大的挑战。到底是什么机制导致小小的月球会有如此长的火山活动历史呢？这个问题必然会引起诸多的猜想，也会成为相当长时间内争论的焦点。这3颗火山玻璃珠的化学组成可以为我们提供一定的源区特征信息，它们显著富集钠、钾、磷以及稀土等不相容元素，表明其源区存在较高比例的KREEP（钾+稀土+磷）组分，可以通过其较多的放射性元素衰变生热，导致月幔局部热异常，引发物质的部分熔融产生岩浆并喷出地表。可见，虽然在月球上没有观测到较大规模晚期岩浆活动，但仍存在局部升温引起的小规模火山喷发。

嫦娥工程返回的月球样品带来了年轻月球火山活动产物，揭示了月球持久地质活力。带着这个年轻月球火山活动的信息，当我们再次抬头仰望这轮明月时，不再只是表面上的冷静，似乎感受到她仍然存在火热的内心。

（作者系中国科学院地质与地球物理研究所研究员）