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(lèi)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(lèi)與月球之間的一扇大門(mén),，更是人類(lèi)認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系的一塊敲門(mén)磚。當(dāng)記錄了巨量信息的月壤被送進(jìn)人類(lèi)的實(shí)驗(yàn)室時(shí),，它將成為人類(lèi)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(lèi)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(mén)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(chēng)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?，半衰期越短,。他們本質(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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