月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆经火山喷发至月表冷却结晶形成的岩石，为认识月幔物质组成和演化提供了重要窗口。其中，火山活动强度（岩浆喷发量）是非常关键的科学问题，对约束月球的热演化历史，揭示火山物质的来源和类型，以及后续的构造活动和岩石圈变形有重要意义。前人主要利用遥感探测手段对月海玄武岩的厚度、火山活动的体积随时间的变化等进行了定量化计算。分析方法主要包括（a）撞击坑挖掘深度法、部分淹没撞击坑地形退化等；（b）雷达方式（月表探地雷达和星载）；（c）地球物理方法（重力场与地震波方法）等。由于这些方法原理不同，得到的结果存在诸多不确定性，这包括：部分结果只能约束厚度上下限而非准确值、部分结果依赖于月表物质参数的先验知识等。 

图1 嫦娥五号月壤中玄武岩颗粒的冷却时间及其对应的最小熔岩流厚度

　　嫦娥五号返回的样品为认识月球晚期的热演化机制提供了很好的机遇，或许可以为晚期的火山喷发规模研究提供关键锚点。针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所田恒次副研究员、张驰副研究员、杨蔚研究员、陈意研究员、Ross Mitchell研究员、林杨挺研究员、李献华院士、吴福元院士等人联合中国科学院国家空间科学中心都骏博士、中大肖智勇教授、南大惠鹤九教授等人对嫦娥五号玄武岩开展了火山喷发规模研究。此项研究的实施主要是因为（1）研究表明嫦娥五号玄武岩具有相同的年龄，说明是同一期火山喷发的产物（以亿年为时间尺度），外来物质比例低；（2）这些不同结构的玄武岩具有相似的同位素组成，说明来自相同月幔源区。研究团队首先利用扩散年代学技术获取了玄武岩中21颗橄榄石的冷却时间（结合温度可转化为冷却速率）（图1a）；之后，利用一维热量传输模型估算了每个玄武岩颗粒所限定的熔岩流的最小厚度（图1b）。最后，得到大部分玄武岩颗粒所限定的熔岩流最小厚度为10-30米。嫦娥五号着陆地质单元地势平坦，据此估算了玄武岩的喷发量，表明在月球晚期（距今约20亿年）仍有大规模岩浆喷发（图2），这一结果与通过遥感探测手段得到的结果较为一致。在此基础上，梳理前人对月球早期火山活动的研究结果与本次结果，发现尽管月球火山活动总体随着时间的推移而逐渐变弱，但其晚期喷发规模仍然呈现间歇性凸起的现象，这一研究结果对约束月球的热演化历史提供了关键参数。但是，造成月球晚期大规模火山喷发的原因仍需结合月球的热化学演化模型进一步研究。 

图2 月球玄武岩喷发速率及其随时间变化趋势

　　另外，研究团队正在积极研发橄榄石原位高精度高空间分辨的Mg-Fe同位素分析技术，这将更有利于解析橄榄石所记录的年代学和岩浆演化信息，促进地球科学的发展，并服务于未来地外天体返回样品的科学研究。 

　　研究成果近日发表于国际学术期刊Nature Communications（田恒次^*，张驰^*，杨蔚，都骏，陈意，肖智勇，Ross Mitchell, 惠鹤九，Hitesh Changela, 张天馨，唐旭，张迪，林杨挺，李献华，吴福元. Surges in volcanic activity on the Moon about two billion years ago[J]. Nature Communications, 2023, 14: 3734. DOI: 10.1038/s41467-023-39418-0）。研究得到国家自然科学基金、中科院青促会项目、中科院重点部署项目、民用航天技术预先研究项目和所重点部署项目共同资助。