原文標(biāo)題：《月壤年齡變成了月球年齡？科學(xué)家懵了》
2020 年 12 月 17 日，嫦娥五號(hào)攜帶著 1731g 月壤返回地球；1731g，對(duì)于無(wú)數(shù)航天人來(lái)說(shuō)，這是夢(mèng)想的重量。
2021 年 10 月 19 日 17 時(shí)，《自然》雜志發(fā)表了來(lái)自中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李獻(xiàn)華團(tuán)隊(duì)、胡森團(tuán)隊(duì)以及楊蔚團(tuán)隊(duì)關(guān)于這份珍貴樣品的研究成果，引起了世界性的震動(dòng)。在這其中，李獻(xiàn)華團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)月壤的分析表明月壤的年齡為 20.3 億年，將月球活動(dòng)的時(shí)間又拉長(zhǎng)了 8 億年，這一發(fā)現(xiàn)也極大地提高了我們對(duì)月球乃至整個(gè)太陽(yáng)系的認(rèn)知程度，不可不謂意義重大。
不過(guò)，最近在關(guān)于月壤研究的報(bào)告中，一些媒體把它誤當(dāng)成了整個(gè)月球的年齡大肆報(bào)導(dǎo)并引起了不小的誤會(huì)，聽(tīng)到這個(gè)消息的科學(xué)家估計(jì)會(huì)感到非常迷茫。雖然這應(yīng)該是一個(gè)百密一疏的細(xì)節(jié)失誤，不過(guò)還是說(shuō)明大家對(duì)于月壤以及月球的一些基本知識(shí)還是非常模糊。當(dāng)然，這也是我們科普的責(zé)任沒(méi)有到位，鑒于此，那我們就來(lái)做一下相關(guān)科普吧。
1、月壤是什么？
按照目前的主流觀點(diǎn)，月球形成于約 44.25-45.27 億年前，顯然這個(gè)數(shù)字才是理論上月球的年齡。與其他的巖質(zhì)天體差別不大，月球最初形成時(shí)也只是一個(gè)實(shí)心的球體，并且也曾有過(guò)非常活躍的地質(zhì)活動(dòng)，存在過(guò)廣闊的巖漿的海洋。經(jīng)過(guò)了幾千萬(wàn)年的冷卻，月球表面的巖漿活動(dòng)逐漸穩(wěn)定，表面逐漸固化，形成了現(xiàn)在人們觀測(cè)到的月球地殼。
在接下來(lái)數(shù)十億年的漫長(zhǎng)時(shí)光中，月球地殼經(jīng)受著太陽(yáng)風(fēng)、高能宇宙射線、隕石撞擊等多重洗禮，大塊巖石被破壞，形成了大量結(jié)構(gòu)松散的碎石甚至是粉末，它們稀疏地分布在月球表面，這就是月壤（Lunar Soil）。
部分嫦娥五號(hào)采樣月壤樣本。（圖片來(lái)源：Nature, Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane）
2、研究月壤的意義
月球不止是深夜天空中的光點(diǎn)；對(duì)于如今的人類而言，月球是一座巨大的歷史博物館，也是一個(gè)巨大的資源寶庫(kù)。因?yàn)樵虑驔](méi)有磁場(chǎng)和大氣層的屏蔽，月壤長(zhǎng)期直接暴露在太陽(yáng)風(fēng)和其他宇宙輻射當(dāng)中，為研究地球附近的空間環(huán)境或者太陽(yáng)活動(dòng)的長(zhǎng)期變化提供了珍貴的實(shí)驗(yàn)記錄。而月壤中的同位素信息更是數(shù)十億年前月球地質(zhì)活動(dòng)的有力見(jiàn)證，一些同位素還可以記錄自己“進(jìn)入月壤之前”的故事，甚至可以反映太陽(yáng)系形成之初的種種過(guò)程。在資源領(lǐng)域，月表富含氦 3，這是一種未來(lái)有可能使用的清潔能源。
可以說(shuō)，月球處處都是寶；而月壤，是人類與月球之間的一扇大門，更是人類認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的一塊敲門磚。當(dāng)記錄了巨量信息的月壤被送進(jìn)人類的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，它將成為人類離開(kāi)地球、走向宇宙的關(guān)鍵一步。
暴露在太陽(yáng)風(fēng)、隕石和宇宙輻射中的月球。（圖片來(lái)源：NASA）
3、月壤的年齡
按照此次的研究成果，嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)附近的玄武巖巖體及月壤樣品的年齡為 20.30±0.04 億歲；我們先來(lái)說(shuō)一下玄武巖。
玄武巖是一種基性噴出巖，也就是火山巖；在月球上，玄武巖是構(gòu)成月海及月陸表面的主要巖石之一，也是形成時(shí)間最晚的月表巖石；其形成過(guò)程較為簡(jiǎn)單，火山活動(dòng)后滯留于月表的巖漿冷卻結(jié)晶，即為玄武巖，其結(jié)晶溫度約為 1050℃。玄武巖的形成與火山活動(dòng)密不可分，可以認(rèn)為，月表最年輕的玄武巖形成時(shí)間與月球上最后的火山爆發(fā)時(shí)間基本一致。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)月球停止火山活動(dòng)時(shí)，最后噴發(fā)巖石的時(shí)間就是火山停止活動(dòng)的時(shí)間。
圖為著名的 70017 號(hào)月球玄武巖，由阿波羅 17 號(hào)登月的宇航員采集。70017 由巖漿結(jié)晶并形成于約 37 億年前，屬于比較“年長(zhǎng)”的玄武巖。（圖片來(lái)源：NASA）
此次發(fā)現(xiàn)的玄武巖是目前人類已知的，存在于月球表面的最年輕的玄武巖，此前約為 28 億歲，這重新標(biāo)定了月球巖漿活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間，并且一下推進(jìn)了 8 億年。
月壤的年齡和月球的年齡可不是一回事，正如你從家門口隨便抓一把土，這把土基本不可能是和地球同時(shí)形成的，有四十多億歲的高齡的土；它可能只是去年夏天一樓的大爺從身上搓下來(lái)的泥丸子風(fēng)干后的產(chǎn)物。不過(guò)月球上目前沒(méi)有搓泥丸的大爺，此次研究的月壤來(lái)源于月球的地質(zhì)活動(dòng)，而這次的研究成果的意義在于說(shuō)明了月球的火山活動(dòng)一直持續(xù)到了至少 20.3 億年前，而非月球形成于 20.3 億年前，通俗的講，就是月球的地殼在這個(gè)時(shí)候咽氣了，而不是月球本體剛出生，二者之間的差別還是非常大的。
4、月壤的年齡是怎么測(cè)出來(lái)的？
在此次的研究中，研究人員一共使用了三種技術(shù)對(duì)月壤進(jìn)行分析：
“離子探針超高空間分辨率定年技術(shù)”、“超高空間分辨率同位素分析技術(shù)”、“納米離子探針?lè)治黾夹g(shù)”
同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的離子探針。（圖源：中科院廣州地化所）
看似高大上，實(shí)則也確實(shí)高端大氣上檔次。按照原理，實(shí)際上的定年技術(shù)可以統(tǒng)稱為“超高空間分辨率鈾-鉛定年法”，是一種基于 U-Pb 法的精確定年技術(shù)，下面介紹 U-Pb 定年法。衰變常數(shù)，符號(hào) λ，表示單位時(shí)間內(nèi)某放射性核素的一個(gè)單核發(fā)生衰變的概率，其與該核素的半衰期存在以下關(guān)系：
由此可知，對(duì)于某一特定核素，其衰變常數(shù)為定值。如果對(duì)衰變常數(shù)不了解，可以用半衰期（放射性元素的原子核有半數(shù)發(fā)生衰變時(shí)所需要的時(shí)間）來(lái)理解，λ 值愈大，放射性元素衰變?cè)娇欤胨テ谠蕉獭Ｋ麄儽举|(zhì)上是差不多的。
在自然界中，主要存在三種鈾的同位素，分別為 234U（占總量 0.006%）、235U（占總量 0.72%）與 238U（占總量 99.275%），其中 234U 含量過(guò)低，這里只介紹后兩者。對(duì)于這兩種同位素而言，其衰變的最終產(chǎn)物分別是 207Pb 與 206Pb。
以 235U 為例，以 Nt 為現(xiàn)有母體量、N0 為初始母體量、t 為時(shí)間，根據(jù)公式：
有：
但很明顯，235U0 是未知量，時(shí)間也就不可求，故而，我們需要用其衰變產(chǎn)物 207Pb 進(jìn)行一些小小的變換：
所以，我們就可以直接測(cè)定 207Pb 的含量，以及現(xiàn)存母體的含量235Ut，就可以直接求得時(shí)間 t 的大小了，同理，238U 也是這樣測(cè)定的，公式如下：
簡(jiǎn)而言之，通過(guò)同時(shí)測(cè)定 206Pb / 238Ut 與 207Pb / 235Ut，就可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的時(shí)間 t，而且，二者的結(jié)果相互印證，使得這種定年法的精度極高，可以達(dá)到千分之一；并且，由于鈾的半衰期很長(zhǎng)，這種方法的測(cè)定上限也可以達(dá)到驚人的 45 億年。
以上就是 U-Pb 定年法理論基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單介紹，原理并不復(fù)雜，而此次實(shí)驗(yàn)儀器與分析方法的進(jìn)步讓它發(fā)揮出了更強(qiáng)大的作用。它是本次研究成果的功臣之一，卻也不如某些媒體所言一樣神通廣大，那么輕松就把四十多億年的月球年齡改成了二十多億年。它只能幫助科學(xué)家了解月壤中記錄的信息，但是對(duì)與新聞報(bào)導(dǎo)中的標(biāo)題黨現(xiàn)象沒(méi)有什么矯正效果。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：天音
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