中國科學院院士李獻華：跑出月壤研究的“中國速度”

“月球直到20億年前仍存在岩漿活動。”

2021年10月19日，嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果發佈，中國科學院院士、中國科學院地質與地球物理研究所研究員李獻華宣佈的這一結論，將科學界認知的月球岩漿活動結束時間延後了8億年。

在這場發佈會上，李獻華進行了半個多小時的精彩彙報，媒體記者沒有看出來的是，由於患有白內障，他只能勉強看清幻燈片上面的大標題，流暢的彙報內容全在他的頭腦中。

去年7月12日接收嫦娥五號樣品後，李獻華帶領團隊用7天完成分析測試、用16天完成論文撰寫投稿、用100天在《Nature》上同時發表三篇文章，跑出了月壤研究的“中國速度”。

近日，北京市委宣傳部、市科協等部門組織開展的2022年北京“最美科技工作者”活動揭曉名單，李獻華名列其中。在第六個全國科技工作者日到來之際，他向記者講述了月壤研究背後的故事。

2021年10月，李獻華在月壤研究成果新聞發佈會上作報告。受訪者供圖

和“歷史記錄”賽跑

在月球北部風暴洋東北角的玄武岩區域，嫦娥五號任務採集了約1731克月球樣品。2020年12月，返回器將月球樣品帶回地球，引爆了中國科學家的研究熱情。大家迫切地想知道，這些月球“土特產”能告訴我們哪些信息。

“太細了！”2021年7月12日，第一批嫦娥五號月球科研樣品發放給13家科研機構，李獻華第一次拿到了他申請的3克樣品，細如塵埃的黑色月壤粉末裝在兩個小玻璃瓶中。

市場上最精細的麪粉，粒度為100微米-120微米，而月壤樣本平均粒度只有50微米。一些細碎的顆粒貼在玻璃壁上，讓人們不敢輕易將瓶口開啓。年代學是嫦娥五號樣品研究的關鍵，李獻華團隊要做的，就是測出這些月壤粉末的年齡。

珍貴的樣品到達中科院地質與地球物理研究所後，李獻華馬上帶領團隊投入了研究。僅僅53個小時後，他們就獲得了嫦娥五號玄武岩第一個定年數據；第7天，團隊完成全部預定分析任務；對獲得的新數據進行解讀、研討和論文寫作後，他們在7月28日-30日完成了三篇研究論文；10月19日，三篇論文在《Nature》同時在線發表。

研究結果揭示——月球樣品玄武岩形成年齡為20.30±0.04億年，是目前月球上確定的最年輕火山岩。“這個精度非常高，只有400萬年的誤差，相對誤差僅有千分之二，是很精確的結果。”

李獻華解釋，岩漿作用是一個星球有生命力的表現。瞭解月球最後的，即最年輕的岩漿活動結束於何時，就能知道月球在何時變得沒有活力，即瞭解月球“死”於何時。在此之前，地球上的月球隕石，以及美國、蘇聯採集而來的月球樣本“告訴”人們，月球的岩漿活動持續到大約28億年前。此次的研究確證月球的火山活動可以持續到20億年前，這意味着，月球比之前人們的認知“多活”了8億歲。

此次研究為何如此“趕時間”？李獻華直言，科研的賽跑不能只和自己比較。

1969年7月，阿波羅11號登月。“美國科學家於當年9月拿到月球樣本，次年1月發表研究成果，他們用了4個月的時間。如果中國科學家得到樣本之後一年半載都拿不出結果，是影響我們的學術聲譽的。”

此次獲得樣本後，中科院地質與地球物理研究所所長吳福元院士立即召集大家開項目啓動會，還提出兩個要求：7天內要完成嫦娥五號玄武岩的同位素定年、岩石地球化學、Sr、Nd、H同位素和水含量分析，再用7天完成論文的寫作和投稿。“我們用約兩週的時間完成了上述工作，第100天在《Nature》上同時在線發表了3篇論文，這是我國學術實力很好的體現。”李獻華説。

2011年10月，李獻華在離子探針實驗室工作。受訪者供圖

工欲善其事，必先利其器

“機會總是留給準備好了的人。”對於這次快速完成月壤定年研究，李獻華領導的團隊似乎早已勝券在握。

要確定一塊岩石的絕對年齡，最精確的方法是放射性同位素定年。研究尋找富鈾的含鋯礦物是確定年齡的重要環節。

由於月球幾乎是真空環境，表層月壤因為多次撞擊而細碎。嫦娥五號月壤樣品平均粒度大約只有50微米，只有少數岩屑粗一些，大約有幾百微米，個別達到毫米級。科研人員首先要在岩屑中尋找最適合鈾-鉛同位素定年的含鈾礦物，這些礦物非常細小，一般只有3-4微米，很少超過7、8微米。精確測定這麼細小的礦物的年齡非常困難，需要用非常高精尖的測定技術。

科研人員使用離子探針儀器，將聚焦的一次離子束“打”到目標礦物上，從而對樣品進行分析。“就像打靶一樣，如果打到旁邊了，將影響分析的精度和準確度。”李獻華説，這就要求離子探針分析束斑直徑要比3微米的礦物還小。

科研團隊成竹在胸，他們早已做好了技術儲備。

李獻華回憶，上世紀90年代，我國科研條件落後，由於沒有好的儀器設備，很多同位素地球化學實驗要通過國際交流的方式，到國外的實驗室進行。工欲善其事，必先利其器。進入新世紀以來，隨着國家對科學研究投入的持續加大，李獻華領銜建設了中科院地質與地球物理研究所的離子探針實驗室，研發出多項處於國際領先水平的微區原位同位素定年新技術新方法。

團隊用了3年的時間，將鋯石U（鈾）-Pb（鉛）同位素體系定年的空間分辨率從傳統的10-20微米提高到5微米，又用了10年時間，將離子空間分辨率進一步提高到

“從5微米降到3微米，看似只進步了一點點，其實難度非常大。10年來，大家是非常辛苦的。”李獻華説。

除了做好技術儲備，團隊還曾使用阿波羅號帶回的月塵進行“演練”，驗證整個技術流程的可行性。

中科院地質與地球物理研究所的博物館有一份“身世不明”的標註為“阿波羅月塵”的樣品，已存放了50年，卻沒有更多其詳細信息，真實性存疑。2021年春節前，吳福元所長將169毫克樣本交給李獻華，讓科研團隊先把它們搞清楚。“我們花了兩個星期把所有結果做出來，證明這個月塵樣品是阿波羅11號任務採集的樣品。這是我們在拿到嫦娥五號月壤樣品前的一次‘實戰演練’，既鍛鍊了隊伍，又增強了信心。”

期待研究火星及月背樣本

在研究月壤之前，李獻華已經和地球科學打了40年交道。

1979年，高考成績優異的他考取了中國科學技術大學。聽從老師的建議，他選擇了聽起來“高大上”的地球和空間科學系，並“誤打誤撞”選定了地球化學專業。大學時，他對中國科學院地球化學研究所主編的《月質學研究進展》一書產生濃厚興趣，報考了該所天體化學專業歐陽自遠的研究生。不料當年歐陽自遠太受歡迎，他被調劑到同位素地質年代學專業。

“通俗地講，同位素地質年代學就是測定石頭的年齡。我就是做地質作用‘在什麼時候發生’和‘為什麼發生’的研究。”儘管本科生和研究生的專業選擇充滿了偶然因素，但李獻華很快從中找到了樂趣。

“世界那麼大，你不想去看看嗎？”提起地球科學研究，李獻華不吝於用最美好的詞彙描述它。野外地質考察充滿艱辛，但在他看來，這個職業讓他得以走遍世界的山水，瞭解地球上不同的風俗文化，視野也變得更加開闊。

在興趣面前，困難無足輕重。這些年來，他領導的團隊科研創新成果頻出。他們最早確認華夏陸塊存在太古代地殼物質，將Rodinia超大陸聚合時間從10億年修訂至9億年；精確測定了華南新元古代冰期的起始年齡，為雪球地球理論和地質年表成冰系時代的修訂提供了關鍵年代學證據。

新冠疫情之前的最後一次考察，李獻華到達了加拿大阿卡斯塔地區，這片靠近北極圈的無人區，保留着地球上目前已知唯一的40億年前的岩石。“要想了解地球形成演化歷史，我們當然需要這些最古老的記錄。”

他的下一個目標是格陵蘭島西部。“目前，地球上存在38億年以前古老岩石的地區不超過5、6個，格陵蘭島西部就是其中之一，但這裏的38億年古老岩石出露規模最大，達到公里級。”李獻華語氣中帶着嚮往。

在地球之外，他還將探索的目光放向整個銀河系。“火星也是我們期待研究的行星，儘管相比月球，火星採樣更難。”除了月球“風暴洋”中年輕的玄武岩，他還希望早日拿到月球背面的樣本，揭開月球誕生初期的奧秘。

■釋疑

1.嫦娥五號採樣點如何確定？

嫦娥五號任務從月球北部風暴洋東北角的玄武岩區域採集了約1731克月球樣品。之所以選擇這個地點，部分原因是那裏可能有比蘇聯的月球任務和阿波羅任務探訪的地區更年輕的岩漿物質。

李獻華表示，要研究月球整體的演化情況，有限的登月點和樣品量是不夠的。還有一種方法是撞擊坑統計定年方法。月球上大氣稀薄，經常被隕石撞擊，撞擊坑多且層層疊疊的地方，形成年代比較久遠。科研人員通過阿波羅計劃登月點撞擊坑的密度和採集樣品的年齡擬合出一個撞擊坑統計年代曲線，用這個曲線就可以估算出月球表面其他地區玄武岩的年齡。

此次嫦娥五號採樣點為風暴洋地區，撞擊坑密度要小很多，通過撞擊坑年代學曲線估算，這裏的玄武岩年齡大概在12億年前到30億年前之間。儘管不確定性很大，但仍然可以初步判斷，這裏的玄武岩比阿波羅登月點更年輕，因此確定了這裏為嫦娥五號任務採樣點。

2.月球的火山活動為什麼持續這麼久？

此次研究結果揭示，嫦娥五號月球樣品玄武岩形成於20億年前，將月球上的火山作用結束時間延後了8億年，刷新了以往對月球年輕玄武岩源區組成和形成機制的認識。

李獻華介紹，升温、降壓、富水三個要素是所有星球上岩石發生熔融的最基本的物理化學條件，月球也不例外。

升温需要有比較多的放射性生熱元素，比如鉀、鈾和釷等。風暴洋地區表面上看起來釷含量較高，以往科研人員推測這裏的放射性生熱元素較多。但此次的研究結果顛覆了大家的預期：嫦娥五號着陸的風暴洋月幔的放射性生熱元素並不富集，説明放射性元素並非導致這裏岩漿活動的主要原因。

岩石因為富含水降低了熔點，也可能導致岩漿活動。科研人員又從“水”的角度對樣品進行了分析。結果發現，岩石樣品的源區中水含量並不高，每克月幔岩石只含1至5微克（即百萬分之一至百萬分之五）的水，和阿波羅玄武岩最低的月幔源區一樣，都屬於水含量較低的。這説明月幔非常“幹”。這給全世界科學家提出了新的科學問題。

李獻華説，科研人員正在從第三個要素——壓力方面進行研究。“這個難度會更高一點，目前正在研究之中。”

他説，月球是個小星體，質量只有地球的1.2%，所以過去認為其散熱快。從現在的研究結果看來，月球散熱（冷卻）比我們想象中慢得多，科研人員需要重新研究月球的熱演化過程。

3.月壤還有哪些研究價值和意義？

李獻華介紹，月球表面大氣稀薄，上面的石頭遭受太陽風的輻射變得非常細，隕石攻擊也會將月壤擊碎。由於月球表面是真空的，被擊碎的碎屑可以飛到成百上千公里以外。

通過光譜研究，科研人員瞭解到，嫦娥五號採集的玄武岩主要來自原地，還有少量來自於其他地區的樣品的信息。“這就是月壤樣品的特殊性。”

李獻華説，一個星球是否有磁場，對星球的保護是非常重要的。月球的磁場在30億年前還存在，在10億年前或者20億年前消失，但是具體時間並不確定。通過此次得到的20億年前的最年輕樣品，科研人員或將有機會窺探月球磁場的強度等奧秘。

同時，由於月球上沒有大氣，無法阻擋太陽風粒子輻射。太陽風的組成中絕大部分是氫和氦，會注入月壤中，月壤中也發現了氦三能源。因此，太空風化也是研究月球的重要方向。

“月壤富含的信息非常豐富，國內不同的團隊正在開展研究，相信很快會有大量成果發表出來。”李獻華説。

新京報記者 張璐

編輯 白爽 校對 李立軍