“月球直到20亿年前仍存在岩浆活动。” 

　　2021年10月19日，嫦娥五号月球科研样品最新研究成果发布，中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华宣布的这一结论，将科学界认知的月球岩浆活动结束时间延后了8亿年。 

　　在这场发布会上，李献华进行了半个多小时的精彩汇报，媒体记者没有看出来的是，由于患有白内障，他只能勉强看清幻灯片上面的大标题，流畅的汇报内容全在他的头脑中。

　　去年7月12日接收嫦娥五号样品后，李献华带领团队用7天完成分析测试、用16天完成论文撰写投稿、用100天在《Nature》上同时发表三篇文章，跑出了月壤研究的“中国速度”。

　　近日，北京市委宣传部、市科协等部门组织开展的2022年北京“最美科技工作者”活动揭晓名单，李献华名列其中。在第六个全国科技工作者日到来之际，他向记者讲述了月壤研究背后的故事。

　　和“历史记录”赛跑 

　　在月球北部风暴洋东北角的玄武岩区域，嫦娥五号任务采集了约1731克月球样品。2020年12月，返回器将月球样品带回地球，引爆了中国科学家的研究热情。大家迫切地想知道，这些月球“土特产”能告诉我们哪些信息。 

　　“太细了！”2021年7月12日，第一批嫦娥五号月球科研样品发放给13家科研机构，李献华第一次拿到了他申请的3克样品，细如尘埃的黑色月壤粉末装在两个小玻璃瓶中。

 　　市场上最精细的面粉，粒度为100微米-120微米，而月壤样本平均粒度只有50微米。一些细碎的颗粒贴在玻璃壁上，让人们不敢轻易将瓶口开启。年代学是嫦娥五号样品研究的关键，李献华团队要做的，就是测出这些月壤粉末的年龄。 

　　珍贵的样品到达中科院地质与地球物理研究所后，李献华马上带领团队投入了研究。仅仅53个小时后，他们就获得了嫦娥五号玄武岩第一个定年数据；第7天，团队完成全部预定分析任务；对获得的新数据进行解读、研讨和论文写作后，他们在7月28日-30日完成了三篇研究论文；10月19日，三篇论文在《Nature》同时在线发表。 

　　研究结果揭示——月球样品玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年，是目前月球上确定的最年轻火山岩。“这个精度非常高，只有400万年的误差，相对误差仅有千分之二，是很精确的结果。” 

　　李献华解释，岩浆作用是一个星球有生命力的表现。了解月球最后的，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。

　　此次研究为何如此“赶时间”？李献华直言，科研的赛跑不能只和自己比较。

　　1969年7月，阿波罗11号登月。“美国科学家于当年9月拿到月球样本，次年1月发表研究成果，他们用了4个月的时间。如果中国科学家得到样本之后一年半载都拿不出结果，是影响我们的学术声誉的。” 

　　此次获得样本后，中科院地质与地球物理研究所所长吴福元院士立即召集大家开项目启动会，还提出两个要求：7天内要完成嫦娥五号玄武岩的同位素定年、岩石地球化学、Sr、Nd、H同位素和水含量分析，再用7天完成论文的写作和投稿。“我们用约两周的时间完成了上述工作，第100天在《Nature》上同时在线发表了3篇论文，这是我国学术实力很好的体现。”李献华说。 

 　　工欲善其事，必先利其器 

　　“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，李献华领导的团队似乎早已胜券在握。

 　　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。研究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。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。精确测定这么细小的矿物的年龄非常困难，需要用非常高精尖的测定技术。 

　　科研人员使用离子探针仪器，将聚焦的一次离子束“打”到目标矿物上，从而对样品进行分析。“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。”李献华说，这就要求离子探针分析束斑直径要比3微米的矿物还小。 

　　科研团队成竹在胸，他们早已做好了技术储备。 

　　李献华回忆，上世纪90年代，我国科研条件落后，由于没有好的仪器设备，很多同位素地球化学实验要通过国际交流的方式，到国外的实验室进行。工欲善其事，必先利其器。进入新世纪以来，随着国家对科学研究投入的持续加大，李献华领衔建设了中科院地质与地球物理研究所的离子探针实验室，研发出多项处于国际领先水平的微区原位同位素定年新技术新方法。 

　　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，将离子空间分辨率进一步提高到<3微米的国际领先水平，为嫦娥五号样品快速测年提供了技术支持。

 　　“从5微米降到3微米，看似只进步了一点点，其实难度非常大。10年来，大家是非常辛苦的。”李献华说。

 　　除了做好技术储备，团队还曾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，却没有更多其详细信息，真实性存疑。2021年春节前，吴福元所长将169毫克样本交给李献华，让科研团队先把它们搞清楚。“我们花了两个星期把所有结果做出来，证明这个月尘样品是阿波罗11号任务采集的样品。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。” 

　　期待研究火星及月背样本

　　在研究月壤之前，李献华已经和地球科学打了40年交道。 

　　1979年，高考成绩优异的他考取了中国科学技术大学。听从老师的建议，他选择了听起来“高大上”的地球和空间科学系，并“误打误撞”选定了地球化学专业。大学时，他对中国科学院地球化学研究所主编的《月质学研究进展》一书产生浓厚兴趣，报考了该所天体化学专业欧阳自远的研究生。不料当年欧阳自远太受欢迎，他被调剂到同位素地质年代学专业。

　　“通俗地讲，同位素地质年代学就是测定石头的年龄。我就是做地质作用‘在什么时候发生’和‘为什么发生’的研究。”尽管本科生和研究生的专业选择充满了偶然因素，但李献华很快从中找到了乐趣。

　　“世界那么大，你不想去看看吗？”提起地球科学研究，李献华不吝于用最美好的词汇描述它。野外地质考察充满艰辛，但在他看来，这个职业让他得以走遍世界的山水，了解地球上不同的风俗文化，视野也变得更加开阔。

　　在兴趣面前，困难无足轻重。这些年来，他领导的团队科研创新成果频出。他们最早确认华夏陆块存在太古代地壳物质，将Rodinia超大陆聚合时间从10亿年修订至9亿年；精确测定了华南新元古代冰期的起始年龄，为雪球地球理论和地质年表成冰系时代的修订提供了关键年代学证据。 

　　新冠疫情之前的最后一次考察，李献华到达了加拿大阿卡斯塔地区，这片靠近北极圈的无人区，保留着地球上目前已知唯一的40亿年前的岩石。“要想了解地球形成演化历史，我们当然需要这些最古老的记录。” 

　　他的下一个目标是格陵兰岛西部。“目前，地球上存在38亿年以前古老岩石的地区不超过5、6个，格陵兰岛西部就是其中之一，但这里的38亿年古老岩石出露规模最大，达到公里级。”李献华语气中带着向往。 

　　在地球之外，他还将探索的目光放向整个银河系。“火星也是我们期待研究的行星，尽管相比月球，火星采样更难。”除了月球“风暴洋”中年轻的玄武岩，他还希望早日拿到月球背面的样本，揭开月球诞生初期的奥秘。 

　　■释疑

　　1.嫦娥五号采样点如何确定？ 

　　嫦娥五号任务从月球北部风暴洋东北角的玄武岩区域采集了约1731克月球样品。之所以选择这个地点，部分原因是那里可能有比苏联的月球任务和阿波罗任务探访的地区更年轻的岩浆物质。

　　李献华表示，要研究月球整体的演化情况，有限的登月点和样品量是不够的。还有一种方法是撞击坑统计定年方法。月球上大气稀薄，经常被陨石撞击，撞击坑多且层层叠叠的地方，形成年代比较久远。科研人员通过阿波罗计划登月点撞击坑的密度和采集样品的年龄拟合出一个撞击坑统计年代曲线，用这个曲线就可以估算出月球表面其他地区玄武岩的年龄。 

　　此次嫦娥五号采样点为风暴洋地区，撞击坑密度要小很多，通过撞击坑年代学曲线估算，这里的玄武岩年龄大概在12亿年前到30亿年前之间。尽管不确定性很大，但仍然可以初步判断，这里的玄武岩比阿波罗登月点更年轻，因此确定了这里为嫦娥五号任务采样点。 

　　2.月球的火山活动为什么持续这么久？ 

　　此次研究结果揭示，嫦娥五号月球样品玄武岩形成于20亿年前，将月球上的火山作用结束时间延后了8亿年，刷新了以往对月球年轻玄武岩源区组成和形成机制的认识。

　　李献华介绍，升温、降压、富水三个要素是所有星球上岩石发生熔融的最基本的物理化学条件，月球也不例外。 

　　升温需要有比较多的放射性生热元素，比如钾、铀和钍等。风暴洋地区表面上看起来钍含量较高，以往科研人员推测这里的放射性生热元素较多。但此次的研究结果颠覆了大家的预期：嫦娥五号着陆的风暴洋月幔的放射性生热元素并不富集，说明放射性元素并非导致这里岩浆活动的主要原因。 

　　岩石因为富含水降低了熔点，也可能导致岩浆活动。科研人员又从“水”的角度对样品进行了分析。结果发现，岩石样品的源区中水含量并不高，每克月幔岩石只含1至5微克（即百万分之一至百万分之五）的水，和阿波罗玄武岩最低的月幔源区一样，都属于水含量较低的。这说明月幔非常“干”。这给全世界科学家提出了新的科学问题。 

　　李献华说，科研人员正在从第三个要素——压力方面进行研究。“这个难度会更高一点，目前正在研究之中。” 

　　他说，月球是个小星体，质量只有地球的1.2%，所以过去认为其散热快。从现在的研究结果看来，月球散热（冷却）比我们想象中慢得多，科研人员需要重新研究月球的热演化过程。 

　　3.月壤还有哪些研究价值和意义？ 

　　李献华介绍，月球表面大气稀薄，上面的石头遭受太阳风的辐射变得非常细，陨石攻击也会将月壤击碎。由于月球表面是真空的，被击碎的碎屑可以飞到成百上千公里以外。 

　　通过光谱研究，科研人员了解到，嫦娥五号采集的玄武岩主要来自原地，还有少量来自于其他地区的样品的信息。“这就是月壤样品的特殊性。” 

　　李献华说，一个星球是否有磁场，对星球的保护是非常重要的。月球的磁场在30亿年前还存在，在10亿年前或者20亿年前消失，但是具体时间并不确定。通过此次得到的20亿年前的最年轻样品，科研人员或将有机会窥探月球磁场的强度等奥秘。 

　　同时，由于月球上没有大气，无法阻挡太阳风粒子辐射。太阳风的组成中绝大部分是氢和氦，会注入月壤中，月壤中也发现了氦三能源。因此，太空风化也是研究月球的重要方向。

 　　“月壤富含的信息非常丰富，国内不同的团队正在开展研究，相信很快会有大量成果发表出来。”李献华说。