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《自然》同期三连发!我校多位校友分别发布中国嫦娥五号月球科研样品最新研究成果

发布时间:2021-11-02

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2021年10月19日,国际学术期刊《自然》于北京时间17点同期发表了3篇中国嫦娥五号月球科研样品的最新研究成果。

这3篇研究成果分别为我校98硕校友李秋立和797校友李献华参与的《Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalt》、我校9707校友杨蔚参与的《Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane》、我校9607校友惠鹤九参与的《A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5》。

研究证明,嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩,对着陆区岩浆年龄、源区性质给出全新的认识,月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年,其晚期岩浆活动的源区并不富集放射性元素,并且月幔源区几乎没有水。这些研究成果填补了美国和苏联月球采样任务的“空白”。

1.48名科研人员,7天完成实验

2021年7月12日,嫦娥五号第一批月球科研样品正式发放。拿到样品后,由48人组成的月球样品研究工作组联合国家天文台科学家,开始集中攻关,仅用20多个小时就完成了样品的初步鉴定和分选,7天内完成样品的年龄、矿物、元素和同位素分析,16天完成样品年代学以及月幔地球化学特征和水含量研究论文,并向国际学术期刊《自然》投出第一篇论文……3篇关于嫦娥五号月球样品最新研究成果的发表,仅历时100天。

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科研人员在场发射扫描电子显微镜下进行嫦娥五号月壤样品图像和成分分析

“在月壤样品到来之前,我们已经把所有的技术环节都演练过了。”地质地球所嫦娥五号样品研究组骨干、该所研究员杨蔚(9707)说,研究组48名科研人员平均年龄仅39岁,几乎从未接触过月球研究,但每个人都各尽所能,不眠不休地展开研究。

从样品中选取需要的岩石碎片(也叫岩屑),是研究人员遇到的第一关。“这些碎片与地球岩石差别较大,我们第一次在显微镜挑选时,也不太确定。”杨蔚说,他们把部分碎片放在电镜下鉴定之后,再去样品中挑选。

由于“选材”精准,在分到的3克样品中,他们只损耗了150毫克,剩余的已经归还给中科院探月工程地面应用中心,供别的研究团队继续研究。

2.3篇《自然》论文,刷新3大认知

这三篇同期发表在《自然》上的论文,刷新了此前有关月球的三大认知。

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李献华(797)和李秋立(98硕)参与的文章《Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalt》主要围绕“嫦娥五号玄武岩年代学”展开研究。此前对于月球岩浆活动停止的确切时间,科学界一直存在争议。来自美国、苏联的月球样本和地球上月球陨石的研究已证实,月球的生命特征之一——岩浆活动至少持续到大约28至30亿年前,古老的岩浆喷发活动留下的黑色玄武岩形成了所见的“月海”。

但是,精确确定月球上岩石的年龄非常困难。地质地球所嫦娥五号样品研究组负责人、中科院院士李献华(797)解释,过去,科学家以统计撞击坑数量来大致判定岩石年龄——被小天体撞出的坑越多,岩石就越古老。可真要精确定年,还需要高分辨率的矿物分析设备。

“这些岩屑含铁高、含镁低,结构各不相同,但都来自于同一次玄武岩喷发事件。”李献华说,在观察了100多个岩屑后,他们从中挑选了50多个具有代表性的样本。

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嫦娥五号月壤样品

此次研究中,科研人员利用超高空间分辨率铀-铅(U-Pb)定年技术,对嫦娥五号月球样品玄武岩岩屑中50余颗富铀矿物进行分析,确定玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,证实月球最“年轻”玄武岩年龄为20亿年。这说明,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,比以往月球样品限定的岩浆活动停止时间延长了约8亿年。这一年代的精确测定数据,还为撞击坑统计定年曲线提供了关键锚点,将大幅提高内太阳系星体表面的撞击坑统计定年精度。

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杨蔚(9707)参与的《Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane》则主要围绕“嫦娥五号玄武岩月幔源区地球化学特征”展开研究。当前,关于月球最晚期岩浆活动的成因,科学界存在两种可能的解释:其一是月球岩浆源区富含生热元素以提供热源,其二是该区域富含水以降低熔点。

围绕这两种可能性,地质地球所与国家天文台团队对嫦娥五号月壤样品中的玄武岩岩屑进行了年代学和岩石地球化学研究。利用地质地球所研发的超高空间分辨率同位素分析技术,研究团队发现,嫦娥五号玄武岩初始熔融时并没有卷入富集钾、稀土元素、磷的“克里普物质”——这几种元素在地球化学上被称为“不相容元素”,意为不容易进入到固体中的元素。

嫦娥五号样品富集克里普物质的特征,是在岩浆后期形成的。李献华介绍,这一结果排除了嫦娥五号着陆区岩石初始岩浆熔融热源来自放射性生热元素的主流假说,揭示了月球晚期岩浆活动过程。

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惠鹤九(9607)参与的《A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5》主要围绕“嫦娥五号玄武岩月幔源区含水量”展开研究。

对于岩浆源区是否富含水,研究获得的结果为嫦娥五号玄武岩的岩浆源区并不富含水,其月幔源区每克岩石的水含量仅为1-5微克,可以说月幔非常“干”。科研人员指出,这一发现也排除了月幔初始熔融时因水含量高而具有低熔点,导致该区域长时间岩浆活动的猜想。

“这就需要科学家通过更多研究,去给出月球演化的新解释。”李献华(797)说,嫦娥五号样品研究的第一批成果,恰恰推开了一扇新的科学之门。

3.校友简介


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李献华(797),1983年于中国科大获学士学位,1988年在中国科学院地球化学研究所/美国联邦地质调查所(联合培养)博士研究生毕业,获博士学位。主要研究方向是同位素年代学和地球化学、火成岩地球化学、前寒武纪地质学、化学地球动力学、微区原位同位素实验。1988年12月-2005年10月在中国科学院广州地球化学研究所工作,历任助理研究员、副研究员、研究员;2005年11月至今在中国科学院地质与地球物理研究所任研究员。1997年获得杰出青年基金资助;2004年获得国家基金委创新群10体项目资助;2007当选美国地质学会会士 (GSA Fellow);2019年当选中国科学院院士。


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惠鹤九(9607),2001年在中国科大地球和空间科学系地球化学专业毕业,获学士学位;2002年1月-2007年12月美国密歇根大学地质科学系博士研究生在读,2008年4月授予博士学位。2008年2月-2008年6月在美国密歇根大学任博士后,进行实验岩石学研究。2008年7月-2010年7月在美国月球和行星研究所工作,进行行星物质研究。2010年7月-2014年5月,在美国诺特丹大学土木和环境工程和地球科学系工作,继续进行行星物质研究。2014年5月至今在南京大学地球科学与工程学院任职教授,主要研究方向是实验岩石学、行星地球化学。


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杨蔚(9707),2007年毕业于中国科大,相继获得学士学位和博士学位。,2007年9月至今,在中国科学院地质与地球物理研究所工作,历任博士后、副研究员、研究员。在2008年9月-2008年12月、2010年3月-2010年6月以访问学者的身份前往美国阿肯色大学学习。2010年8月-2010年11月以访问学者的身份在美国华盛顿卡内基研究所学习。主要研究方向为岩石地球化学、非传统稳定同位素地球化学以及纳米离子探针。


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李秋立(98硕),1998年毕业于西北大学地质系,2003年于中国科大获地球化学博士学位,现任中国科学院地质与地球物理研究所离子探针实验室主任。长期从事微区地质年代学研究,基于离子探针研发了多种副矿物微区原位U-(Th)-Pb年龄测试方法,为解决超碱性岩类、碳酸岩类、陨石、碎屑沉积岩、中低温变质岩、矿床等定年难题提供了有效定年手段。发表SCI 论文120余篇,SCI 引用2900余次。获得2008年安徽科学技术奖一等奖、2010年国家自然科学二等奖,2012年首届国家优秀青年基金,2014年中国矿物岩石地球化学学会“侯德封奖”,2014年度中国科学院杰出科技成就奖,2017年第十二届“中国科学院杰出青年”称号,2018年地球化学“孙贤鉥奖”,担任Canadian Journal of Earth Sciences和Mineralogy and Petrology国际SCI期刊Associate editor。