人們已經(jīng)知道地球的金屬核里面除了鐵和鎳之外，還含有可觀的碳、硫和硅等輕元素。但是月球的金屬核中的成分卻一直不得而知，甚至月球有沒有金屬核都是一個(gè)爭議不斷的問題。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)黃方教授團(tuán)隊(duì)與英國和愛爾蘭的同行合作，結(jié)合金屬穩(wěn)定同位素和實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)的結(jié)果，推測月球的金屬核中可能含有硫，但是沒有多少碳。

同位素地球化學(xué)，為研究地球和月球的形成提供寶貴信息

一般認(rèn)為，月球的形成與一個(gè)巨大的小行星撞擊地球有關(guān)，人們將這個(gè)過程稱為“月球形成大碰撞”。小行星撞擊地球的能量很高，導(dǎo)致飛濺出去的物質(zhì)可能發(fā)生了氣化，因此這些物質(zhì)中的揮發(fā)性元素逃逸到了浩瀚的宇宙深空之中，脫離了地月體系。

在這個(gè)揮發(fā)性元素逃逸過程中，對于某一個(gè)元素而言，輕的同位素跑得快而重的同位素跑得慢，因此月球的輕同位素比重同位素更容易丟失。地球則不然，雖然也發(fā)生了劇烈撞擊，但是由于地球質(zhì)量較大，引力更強(qiáng)，揮發(fā)性元素逃逸得更少，基本上保留了被撞擊前的同位素組成。因此，同位素地球化學(xué)為研究地球和月球的形成提供寶貴的信息。

地球和月球之間的同位素組成有差異

月球和地球類似，都具有硅酸鹽的殼和幔以及金屬的核。地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，月球的硅酸鹽部分(bulk silicate moon， 以下以BSM代稱)中揮發(fā)性元素(容易氣化逃逸的元素)的含量比地球的硅酸鹽部分(bulk silicate earth以下以BSE代稱)低很多，而且BSM中這些揮發(fā)性元素的同位素組成相比于BSE偏重。

如下圖所示，橫軸代表元素的半凝結(jié)溫度，溫度越低，該元素越容易揮發(fā);縱軸代表BSE和BSM的同位素組成以及差別?？梢钥吹剑煌氐陌肽Y(jié)溫度有差別，但是其同位素組成的差別卻和半凝結(jié)溫度不一致，例如銅(Cu)的半凝結(jié)溫度比鉀(K)、鎵(Ga)和銣(Rb)高，但是BSM和BSE之間的Cu同位素組成差異比K、Ga和Rb要大。

這個(gè)差異到底是如何產(chǎn)生的呢?對月球的形成和演化有什么啟示?

人們普遍用撞擊-凝聚-氣化模型來解釋月球的化學(xué)組成，但是它忽略了月球的金屬核形成過程。月核形成也許可以解釋Cu同位素的異常：因?yàn)镃u和Zn都是親鐵親硫的元素，容易進(jìn)入到金屬核中，而K、Ga和Rb等都是親石的元素，不會(huì)進(jìn)入到金屬核中，但是目前人們并不知道金屬熔體從月球巖漿洋中分離時(shí)同位素分餾的大小。

當(dāng)月核含有硫的時(shí)候，地球和月球的同位素組成差異就可以解釋了

基于這樣一種思考，黃方團(tuán)隊(duì)及其國際合作者開展了針對月核形成對于同位素影響的實(shí)驗(yàn)研究，希望進(jìn)一步制約月核中可能存在的物質(zhì)。

他們精確測定了金屬熔體(代表月核)和硅酸鹽熔體(代表月幔)之間的Cu和Zn同位素分餾系數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)月核含有硫的時(shí)候，月核的形成可以使得BSM的Cu同位素組成偏重更多，這個(gè)結(jié)果很好地解釋了地球和月球之間的同位素組成差異。

相關(guān)論文以“The effect of core segregation on the Cu and Zn isotope composition of the silicate Moon”為題，近日發(fā)表于國際地球化學(xué)刊物Geochemical Perspective Letters上(Geochem。 Persp。 Let。 12， 12–17)。

同位素地球化學(xué)的研究預(yù)測了月核中含有硫等輕元素。最近發(fā)表在《自然-地球科學(xué)》上的另一個(gè)工作認(rèn)為，含硫的月核和月幔分異可以解釋月球樣品中的鉑族元素含量(Brenan et al。 2019Nature Geoscience)，也預(yù)測月球的內(nèi)核中可能含硫，佐證了黃方等人的新認(rèn)識(shí)。這一認(rèn)識(shí)具有重要的科學(xué)價(jià)值。

月球可能也有過一個(gè)很短暫的磁場

地球有一個(gè)巨大的磁場，保護(hù)著生命不受太陽活動(dòng)的破壞，而地球磁場的維持和地核中的輕元素有關(guān)。一般來說，輕元素越多，磁場就可能更容易被長久地維持。但是，人們一直都不確定月球有沒有過全球性的磁場。同位素地球化學(xué)的研究支持月球可能也有過一個(gè)很短暫的磁場，這對于了解內(nèi)太陽系行星孕育生命的環(huán)境有重要意義。

這一工作還指出了月核形成對于月球組分的影響，說明在研究月球化學(xué)組成時(shí)，不應(yīng)僅僅單純考慮碰撞-氣化過程，還必須考慮月球的核幔分異過程。

需要強(qiáng)調(diào)的是，以上認(rèn)識(shí)對我國的月球研究也有很好的啟示。對于月球的研究大多是基于美國阿波羅計(jì)劃帶回來的月球樣品，但是阿波羅計(jì)劃采樣地點(diǎn)十分局限，都是采自月球?qū)χ厍虻囊幻?，從來沒有到達(dá)過月球背著地球的這一面。

因此，有可能隨著我國嫦娥計(jì)劃的進(jìn)行，會(huì)改變有關(guān)月球形成、地月系統(tǒng)演化等重要科學(xué)問題的理解。我國嫦娥工程的采樣返回就顯得十分重要，尤其是對于來自月球背部樣品的同位素研究，可以為月球形成提供關(guān)鍵信息。