研究嫦娥五号月壤用到了哪些高精尖科技，研究月壤与研究地球有什么关联？

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研究嫦娥五号月壤用到了哪些高精尖科技，研究月壤与研究地球有什么关联？

作者 / 李献华

谢邀，知乎，北京科协。大家好，我是中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院院士李献华。

机会总是留给准备好了的人，对于这次快速完成月壤定年研究，是因为我们的团队时刻准备着。我们团队领衔建设了中国科学院地质与地球物理研究所的离子探针实验室，研发出多项国际领先水平的微区原位同位素定年新技术、新方法。此次研究采用的我们自主研发的超高空间分辨率的定年和同位素分析技术均处于国际领先水平，这项技术也为珍贵地外样品年代学等研究提供了新的技术方法。

嫦娥五号月壤研究主要用了以下几种方法：基于超高空间分辨率铀 - 铅（U-Pb）定年技术，对玄武岩岩屑中 50 余颗富铀矿物进行了年龄测定；基于超高空间分辨率同位素分析技术，证明了形成嫦娥五号玄武岩的月幔源区并不富集“克里普组分”；基于纳米离子探针分析技术，测定了样品中熔体包裹体和磷灰石的水含量和氢同位素组成。

嫦娥五号月壤样品（玄武岩岩屑）的显微图像

要确定一块岩石的绝对年龄，最精确的方法是放射性同位素定年，最好的样品就是含锆的矿物颗粒。之所以要寻找含锆矿物，是因为这种矿物形成时富集铀，但不含铅，因此离子探针测得的铅基本上都是放射成因的，可以获得可靠的同位素定年结果，因此寻找富铀的含锆矿物是确定年龄的重要环节。

由于月球几乎是真空环境，表层月壤因为多次撞击而细碎。嫦娥五号月壤样品平均粒度大约只有 50 微米，只有少数岩屑粗一些，大约有几百微米，个别达到毫米级。我们的科研人员首先要在岩屑中寻找最适合铀 - 铅同位素定年的含铀矿物。这些矿物非常细小，一般只有 3-4 微米，很少超过 7、8 微米。精确测定这么细小矿物的年龄非常困难，需要用非常高精尖的测定技术。

具体来说就是使用离子探针，将聚焦的一次离子束“打”到目标矿物上，对溅射出代表样品信息的二次离子进行分析。这个就像打靶一样，如果打到旁边了，将影响分析的精度和准确度。所以这就要求离子探针分析束斑直径要比 3 微米的矿物还小。

图为嫦娥五号月壤样品（图片来源：中国科学院科学传播局科技摄影联盟）

我们团队用了 3 年的时间，将锆石 U（铀）-Pb（铅）同位素体系定年的空间分辨率从传统的 10-20 微米提高到 5 微米，又用了 10 年时间，将空间分辨率进一步提高到

除了做好技术储备，我们的团队还使用阿波罗号带回的月尘进行“演练”，验证整个技术流程的可行性。

中科院地质与地球物理研究所的博物馆有一份“身世不明”的标注为“阿波罗月尘”的样品，已存放了 50 年，却不知是否真实，如果是真的，是来自阿波罗号哪期任务？2021 年春节前，吴福元所长将总共 166.9 毫克样本交给我，让我带领科研团队先把它们搞清楚。我们花了两个星期用了不到 100 毫克就把所有结果做出来了，这是我们在拿到嫦娥五号月壤样品前的一次“实战演练”，既锻炼了队伍，又增强了信心。

「那么月壤研究与地球研究中间有什么关联吗？」

我们都知道，岩浆作用是一个星球有生命力的表现。了解月球最晚的、即最年轻的岩浆活动结束于何时，就能知道月球在何时变得没有活力，即了解月球“死”于何时。在此之前，地球上的月球陨石，以及美国、苏联采集而来的月球样本“告诉”人们，月球的岩浆活动持续到大约 28 亿年前。此次的研究确证月球的火山活动可以持续到 20 亿年前，这意味着，月球比之前人们的认知“多活”了 8 亿岁。

这就改变了我们以往对月球岩浆活动和热演化历史的认识。过去我们认为月球是个小星体，它的质量只有地球的 1.2%，理论上讲，小星体比表面积大，很容易散热。但现在看来月球散热并没有那么快，那我们就要重新来认识月球的热演化历史。换句话说，月球虽然小，但是它的寿命到底会有多长呢？它的冷却为什么变慢了？它的冷却机理到底是怎样的？如果把对月球的研究应用在地球上，会颠覆我们目前对地球存活年限的认知吗？

我们知道地球有磁场保护，可是在 30 亿年之前月球也是有磁场的，那么月球磁场是什么时候消失的？20 亿年的岩石有没有记录了一些磁场？如果有的话有多强？如果没有它是怎么消失的？地球磁场也会像月球磁场一样消失吗？

月球表面布满了撞击坑，因为它处于真空环境，也没有水，所以月球早期的地质记录都被保存了下来。地球是一个生机勃勃的星球，各种地质作用很频繁，所以地球 40 亿年前的历史几乎都已经被抹掉了。我们要推测地球早期的演化记录就可以从月球着手，因为对地月系统来说，这两者早期的演化历史是相似的。

月球也是截止目前研究撞击历史最好的一个星球。根据月球上发生撞击的频率和概率，研究其撞击的历史，对我们了解行星的运行规律，防范地球被撞击的风险有重要作用。比如白垩纪末地球遭受的那次大撞击直接导致了地球上恐龙的灭绝，那次大撞击放到现在可能也会导致人类的灭绝。

所以研究月球在一定程度上也是研究地球，也是为人类的进步发展做贡献。

未来我们希望到月球背面去，因为月球背面有更古老的地质记录。现在我们实现了无人月球采样，下一个十年我们应该能够实现载人登月采样。

我希望我们的青年朋友们，能更好地爱科学、学科学，希望未来的科技发展都能体现中国速度。

谢谢大家！