2021-03-10
孫家軒整理
專(zhuān)家信息：車(chē)曉超，中國(guó)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(guó)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(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）獲地球化學(xué)碩士學(xué)位，2019年于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)攻讀宇宙化學(xué)博士學(xué)位
參與項(xiàng)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(lái)講今天的課程，在課程之前，我們來(lái)進(jìn)行最后一次深空系列的專(zhuān)家進(jìn)課堂活動(dòng)。今天我們特別榮幸地邀請(qǐng)到了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所、北京離子探針中心的車(chē)曉超老師。我為他也起了個(gè)名字——“給月球定年的人”。
車(chē)?yán)蠋熌茫?/span>
車(chē)?yán)蠋煟?/strong>
孫老師您好，多謝介紹！各位同學(xué)好！
孫老師：
車(chē)?yán)蠋煟鷧⒓舆^(guò)Apollo和Luna月球返回樣品的測(cè)試工作，我們知道前一段時(shí)間嫦娥五號(hào)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？
車(chē)?yán)蠋煟?/strong>
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(lái)說(shuō)同學(xué)們關(guān)于嫦娥五號(hào)事兒已經(jīng)看了很多相關(guān)的科普內(nèi)容，以及類(lèi)似學(xué)術(shù)報(bào)告的內(nèi)容，它提到了一個(gè)非常年輕的年齡（上期），可能是月表最年輕的年齡。這個(gè)年齡目前來(lái)說(shuō)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(shuō)Apollo樣品或者一個(gè)月球隕石樣品是多少億年，這個(gè)年齡都是用同位素的方法測(cè)出來(lái)的。以我們實(shí)驗(yàn)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(gè)系列，通過(guò)這兩個(gè)系列來(lái)測(cè)試它的年齡。我們的主要研究對(duì)象就是這個(gè)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(méi)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(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)很大了。
我們具體的研究方法是通過(guò)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(cè)試出來(lái)一個(gè)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(gè)年齡，這個(gè)年齡是測(cè)出來(lái)的同位素年齡。但是目前嫦娥的數(shù)據(jù)，實(shí)際上嫦娥著陸地點(diǎn)的數(shù)據(jù)我們?cè)诓蓸又耙呀?jīng)大體推測(cè)出來(lái)了——它有可能是月球上最年輕的一個(gè)數(shù)據(jù)。它當(dāng)時(shí)還不是同位素?cái)?shù)據(jù)，同位素?cái)?shù)據(jù)可能再過(guò)一兩個(gè)月就有了，它當(dāng)時(shí)是通過(guò)模型計(jì)算出來(lái)的結(jié)果。這個(gè)模型是通過(guò)隕石坑統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來(lái)的。
這些數(shù)據(jù)是通過(guò)月球衛(wèi)星，也就是環(huán)繞月球的軌道器用相機(jī)拍下來(lái)的，它拍下來(lái)可見(jiàn)光波段的照片，然后對(duì)上面隕石坑的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這個(gè)方法有一個(gè)前提條件，就是月球形成至今大概45億年左右，表面無(wú)時(shí)無(wú)刻不被隕石撞擊。所以說(shuō)我們要判斷月球表面上一個(gè)區(qū)域跟另一個(gè)區(qū)域的相對(duì)偏老、偏新，實(shí)際上我們只需要統(tǒng)計(jì)它表面隕石坑的數(shù)量就可以了。比如說(shuō)左下角這張圖，它是月表上一個(gè)叫威海的盆地，這個(gè)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(guò)這個(gè)信息來(lái)判斷它中心位置的年齡肯定是比邊上的年齡要年輕的，因?yàn)樗E石坑少。所以說(shuō)這是一個(gè)相對(duì)年齡——我們知道哪個(gè)更新哪個(gè)更老。
但是我們?cè)趺窗褦?shù)字對(duì)得上去呢，我們就需要像之前美國(guó)的Apollo計(jì)劃以及前蘇聯(lián)的Luna計(jì)劃采集的樣品以及咱們的嫦娥計(jì)劃采集到的樣品，得到的同位素?cái)?shù)據(jù)，我們把它們標(biāo)定在每個(gè)不同的盆地。比如我以這個(gè)盆地為例，我們跟這個(gè)區(qū)域采了一個(gè)樣品，測(cè)定它的年齡是35億年，同時(shí)我們跟這個(gè)點(diǎn)還可以得到一些其它的數(shù)據(jù)，假設(shè)這個(gè)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(wàn)個(gè)巖石坑，這樣我們就得到了1個(gè)數(shù)據(jù)，1個(gè)數(shù)據(jù)里面包含3個(gè)信息——一個(gè)是年齡、一個(gè)是坑的直徑、還有一個(gè)是坑表面上隕石坑的數(shù)量。然后我們可以在另外一個(gè)區(qū)域再采一個(gè)樣，我們測(cè)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(wàn)個(gè)，這樣我們就得到了第二個(gè)數(shù)據(jù)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)分別包含了三個(gè)信息。
Apollo跟Luna分別有9次采樣返回計(jì)劃，覆蓋月球的點(diǎn)也挺多的。通過(guò)這9次返回的計(jì)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(xiàn)。之后如果我們想對(duì)月表的某個(gè)區(qū)域給它定年的話(huà)，即便這個(gè)區(qū)域沒(méi)有樣品，我們只需要知道這個(gè)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(gè)指標(biāo)投在這個(gè)圖上，交匯的位置就可以大體得到一個(gè)絕對(duì)年齡。這張圖就是咱們嫦娥五號(hào)取樣位置的圖，嫦娥五號(hào)大概落在這個(gè)位置上。這個(gè)位置通過(guò)隕石坑統(tǒng)計(jì)的方法得到的年齡大概是12億年，比我們樣品測(cè)出來(lái)的年齡要年輕太多了。樣品目前能測(cè)出來(lái)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(gè)就是我們之前提到的嫦娥“年輕”數(shù)據(jù)的來(lái)源以及計(jì)算過(guò)程。
孫老師：
嗯好的，所以說(shuō)其實(shí)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(huì)讓曲線(xiàn)更加地精準(zhǔn)。如果下次再想得到哪個(gè)位置的年齡的話(huà)，就可以通過(guò)這個(gè)曲線(xiàn)得到更加準(zhǔn)確的年齡。因?yàn)樵诖酥拔覀兪菦](méi)有那個(gè)特別年輕的點(diǎn)的，我們知道線(xiàn)段越短，得到的年齡誤差可能就會(huì)越大，對(duì)嗎車(chē)?yán)蠋煟?/span>
車(chē)?yán)蠋煟?/strong>
對(duì)對(duì)，我們可以看那張圖，在30億年之前有不少據(jù)點(diǎn)，在幾個(gè)百萬(wàn)年的地方有不少數(shù)據(jù)點(diǎn)，而中間橫跨30億年都是沒(méi)有數(shù)據(jù)的，所以咱們嫦娥樣品對(duì)這條線(xiàn)來(lái)說(shuō)就已經(jīng)是非常重要了。
孫老師：
嗯，好的。我剛才聽(tīng)您說(shuō)我們得到的大致年齡其實(shí)是某些星體對(duì)月球撞擊的年齡，那通過(guò)您這么多樣品的研究，月球到底經(jīng)歷了多少個(gè)地質(zhì)事件，有沒(méi)有像地球上地質(zhì)年代表一樣的，月球有沒(méi)有自己的“月球地質(zhì)年代表”呢？
車(chē)?yán)蠋煟?/strong>
對(duì)對(duì)，正如孫老師所說(shuō)，不僅月球有自己的地質(zhì)年代表，實(shí)際上很多類(lèi)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(lái)說(shuō)，它的研究程度相對(duì)地球來(lái)說(shuō)低太多了，所以說(shuō)它畫(huà)出來(lái)的地質(zhì)年代也比地球粗糙多得多。我們以地球?yàn)槔?，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(shuō)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(shí)間畫(huà)出來(lái)的。但是月球相對(duì)地球有所不同，因?yàn)樵虑虮砻婊旧蠜](méi)有水圈、沒(méi)有生物圈、也沒(méi)有大氣圈，嚴(yán)格上來(lái)說(shuō)是有的，但是非常非常地少。所以說(shuō)月球形貌改變主要與兩件事兒有關(guān)，一個(gè)是小行星撞擊地表的結(jié)果，另外一個(gè)是巖漿噴發(fā)的結(jié)果。所以說(shuō)目前來(lái)說(shuō)，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(lái)劃分的。
這是一個(gè)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?yàn)樵蹅兊臏y(cè)試手段越來(lái)越先進(jìn)了，樣品代表性解釋的也，越來(lái)越通暢了。比如說(shuō)云海這個(gè)位置，它主要是根據(jù)云海盆地的這個(gè)年齡劃出來(lái)的，在這個(gè)位置上。比如這個(gè)哥白尼紀(jì)和愛(ài)拉托遜紀(jì)的界限就是根據(jù)哥白尼坑的年齡計(jì)算的，這個(gè)年齡現(xiàn)在也是推測(cè)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(lái)的。所以目前來(lái)說(shuō)，月球的研究程度相對(duì)來(lái)說(shuō)是非常低的，這種地層手段也只是相對(duì)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(lèi)的，其實(shí)很多做月球樣品的人也是地質(zhì)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)。我們?cè)诘刭|(zhì)學(xué)、礦物巖石學(xué)上面會(huì)認(rèn)很多礦物、學(xué)很多理論，但同學(xué)們可能會(huì)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(yùn)用到天體的研究上嗎？
車(chē)?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(shí)際上是分不開(kāi)的。從咱們的視野上看月球可能覺(jué)得很遠(yuǎn)，大概隔了38萬(wàn)公里。但是如果站在太陽(yáng)系的尺度上，實(shí)際上月球和地球就是一個(gè)點(diǎn)。我們研究月球的另一個(gè)目的其實(shí)是研究地球，我們要通過(guò)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(lái)講，地球上的礦物遵循的規(guī)律和月球、火星、甚至太陽(yáng)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?yàn)槔?，月球上有一個(gè)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(guò)，就是大概44-45億年之間有一個(gè)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(shí)際上是一個(gè)熔體，一個(gè)巖漿球，所以巖漿球冷卻的過(guò)程中是要遵循基本的礦物規(guī)律的。比如最開(kāi)始的冷卻過(guò)程中，從鮑文反應(yīng)序列來(lái)說(shuō)，凝結(jié)出來(lái)的是熔點(diǎn)比較高的礦物——比如橄欖石。橄欖石先結(jié)晶出來(lái)，它的密度比較大，就沉下去了。之后會(huì)形成一些輝石，大體上就是在月球凝結(jié)到75%左右的時(shí)候，因?yàn)橹饕逆V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(shí)熔體的成分更接近鈣和鋁，就開(kāi)始凝結(jié)出斜長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石。由于鈣長(zhǎng)石的密度比熔體要低，就會(huì)上浮累積成斜長(zhǎng)巖的月殼，慢慢累積成一定厚度，大概在月球冷卻到90%的時(shí)候就會(huì)形成鈦鐵礦。鈦鐵礦的密度相對(duì)輝石橄欖石高，它也會(huì)沉下去，將之前的層序破壞掉，之前的橄欖石和輝石會(huì)上浮，導(dǎo)致月幔的反轉(zhuǎn)。最后凝結(jié)到95%左右的時(shí)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(shí)刻開(kāi)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(gè)，但實(shí)際上它的成因、圈層分異過(guò)程，也是可以通過(guò)很簡(jiǎn)單的礦物學(xué)理論解釋出來(lái)的。類(lèi)地行星的復(fù)雜程度主要與它的大小有關(guān)系，因?yàn)樵酱髢?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(huì)有更劇烈的風(fēng)化侵蝕作用。地球上因?yàn)檫@種作用很多、種類(lèi)也很豐富，所以演化出來(lái)的礦物種類(lèi)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(lèi)也很少，火星也不大，礦物種類(lèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)也是比較匱乏的。所以通過(guò)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(shí)際上復(fù)雜程度是降低的，可能會(huì)更加得心應(yīng)手。
孫老師：
好的，感謝車(chē)?yán)蠋?！您今天給我們帶來(lái)了非常非常多的月球信息，希望隨著嫦娥五號(hào)的返回，希望車(chē)?yán)蠋熞灿袡C(jī)會(huì)去做嫦娥五號(hào)的樣品，讓剛才的模型曲線(xiàn)更加地精確，讓我們以后只要指著月球的某一個(gè)地方，就可以估算出它的大致年齡是多少，感謝車(chē)?yán)蠋煟?/span>
