阿波罗号的岩石样本捕捉到了月球早期历史上的关键时刻

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月亮

一项新的分析发现,美国宇航局阿波罗计划收集的火山岩样本具有月球早期演化关键事件的同位素特征。

这些事件包括月球铁核的形成,以及月球岩浆海洋的结晶——熔岩海洋被认为在月球形成后覆盖了大约1亿年。

这项发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的分析使用了一种称为二次离子质谱(SIMS)的技术来研究从阿波罗15号和17号任务中返回的火山玻璃,这些火山玻璃被认为代表了月球上一些最原始的火山物质。这项研究特别关注了硫同位素组成,它可以揭示熔岩从产生、运输和喷发的化学演化细节。

布朗大学(Brown University)地质学教授阿尔贝托·萨尔(Alberto Saal)说:“多年来,经过分析的月球玄武岩样品中硫同位素比率的变化似乎非常有限。”萨尔是这项研究的合著者。“这表明,月球内部的硫同位素组成基本相同。但使用现代原位分析技术,我们表明火山玻璃的同位素比率实际上有相当大的范围,这些变化可以用月球历史早期的事件来解释。”

感兴趣的硫特征是“重”硫-34同位素与轻硫-32同位素的比值。对月球火山样本的初步研究发现,它们一致倾向于较重的硫-34。硫同位素比值几乎均匀,与月球样品中其他元素和同位素的巨大变化形成鲜明对比。

这项新研究观察了67个单独的火山玻璃样品和它们的熔融包裹体——玻璃内部晶体内的微小熔岩团。在喷发过程中,硫和其他挥发性元素以气体形式释放出来之前,熔融包裹体就会捕获熔岩——这个过程被称为脱气。因此,它们提供了一幅原始熔岩源的原始图片。萨尔和他的同事、已故的卡内基科学家埃里克·豪里(Eric Hauri)利用卡内基科学研究所的SIMS,能够测量这些原始熔融夹杂物和玻璃中的硫同位素,并利用这些结果校准所有样品的脱气过程模型。

萨尔说:“一旦我们知道了脱气过程,我们就可以估计出产生这些熔岩源的原始硫同位素组成。”

这些计算表明,熔岩来自于月球内部不同的储层,它们的硫同位素比值相差很大。研究人员随后证明,样本中检测到的数值范围可以用月球早期历史事件来解释。

例如,在一些火山玻璃中较轻的同位素比例,与早期熔化的月球铁芯的分离是一致的。当铁核与行星体中的其他物质分离时,它会带走一些硫。被带走的硫往往是较重的硫-34同位素,而剩下的岩浆则富含较轻的硫-32同位素。

萨尔说:“我们在一些火山玻璃体中看到的价值完全符合核心分离过程的模型。”

较重的同位素值可以用早期熔融月球进一步冷却和结晶来解释。结晶过程将硫从岩浆池中去除,形成含硫较重的固体储层。这一过程可能是从月球返回的一些火山玻璃和玄武岩中发现的较重同位素值的来源。

“我们的结果表明,这些样本记录了月球历史上的这些关键事件,”萨尔说。“随着我们不断用更新更好的技术观察这些样本,我们也在不断学习新东西。”

萨尔说,需要做更多的工作,需要分析更多的样品,以充分了解月球的硫同位素组成。但这些新结果有助于澄清长期存在的关于月球内部组成的问题,它们使科学家进一步了解月球的形成和早期历史。

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这项研究是由美国宇航局的太阳系运行项目(80NSSC20K0461)资助的。

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