对月球地质演化的认识主要基于对阿波罗计划和月球号计划返回样品，少部分借助于月球陨石的研究。精准的放射性同位素定年所得到的月球样品岩石年龄均大于28亿年，也就是说月球上的岩浆活动似乎至多持续到了28亿年前。然而，基于返回样品年龄和相应区域撞击坑情况发展起来的撞击坑统计定年法，预测一些区域有更年轻的岩石，却一直未能得到返回样品来精确定年确认。嫦娥五号任务的主要科学目标就是采集可能的年轻玄武岩来进一步限定月球地质演化历史，其落月点选择基于三个方面的考虑，一是撞击坑密度最低的地方，预期岩石最为年轻；二是通过遥感数据已知富集克里普（KREEP,钾、稀土、磷元素英文首字母缩写）物质，因此推测最容易产生岩浆的地方；三是要远离阿波罗和月球号着陆区，以免获得重复信息。时隔近45年之后，嫦娥五号在月球风暴洋东北部，此前人类从未“踏足”过的中纬度地区（51.916°W, 43.058°N）采集回了1731 g新的月球样品，亟待精确的同位素定年研究。

2021年7月12日，嫦娥五号样品开始分发给国内科学家用于科学研究。中国科学院地质与地球物理研究所获得两份月壤样品（编号为CE5C0100YJFM00103, 1克 和CE5C0400YJFM00406, 2克）、两个岩屑光片 CE5C0000YJYX041GP and CE5C0000YJYX042GP）和一个月壤光片（CE5C0800YJFM00102GP） 开始开展研究（注：CE5 = 嫦娥五号；C=铲取样； YJFM = 研究粉末；YJYX = 研究岩屑；GP = 光片，其它数字为顺序编号）。地质地球所岩石圈演化国家重点实验室李秋立研究员、李献华研究员等与国家天文台李春来研究员、周琴副研究员等为主的科学家团队，基于离子探针实验室自主研发的微区原位年代学分析方法，对嫦娥五号样品中玄武岩进行了精确定年。所采用的方法为Pb-Pb等时线法，具体而言是横坐标为²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb、纵坐标为²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb的一组数据进行拟合，在²⁰⁴Pb（非放射成因Pb的代表）为0的y轴截距即放射成因²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb比值，可以计算年龄；在U为0（即不含放射成因Pb）的测点上可以获得玄武岩初始Pb同位素组成，用于计算玄武岩源区的²³⁸U/²⁰⁴Pb比值，即μ值，可指示玄武岩源区性质。

通过大量制作岩屑树脂靶，并在扫描电镜下的精细观察，根据结构将玄武岩分为四种类型，即（次）辉绿结构、嵌晶结构、等粒结构和斑状结构（图1）。对每一种结构玄武岩进行分析，分别构建Pb-Pb等时线，获得了误差范围内的Pb-Pb年龄，且等时线斜率一致，指示嫦娥五号月球样品中极可能只有一个期次玄武岩的喷发。统计所分析的47个岩屑的结果，最重要的是其中的51颗含锆矿物，即斜锆石、钙钛锆石、静海石（这类矿物一则具有高U含量和非常低初始Pb含量，二则是玄武岩中结晶矿物，因此被公认为玄武岩定年最具代表性的矿物）精确限定了玄武岩喷发时代为 2030 ± 4 Ma (图2b)。通过106颗主要矿物（长石和辉石）的U-Pb测试，发现5个颗粒具有低于0.01的U/Pb比值，限定了初始Pb的²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb = 0.860 ± 0.019 （图3）。根据47个岩屑中159个矿物测点拟合的等时线方程和初始²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb计算了初始²⁰⁴Pb/²⁰⁶Pb为0.00228±0.00011 （图2a）。根据初始Pb组成计算出玄武岩源区的μ值为684 ± 40。

图1 不同结构的玄武岩岩屑及其中主要定年矿物。（a）次辉绿结构岩屑，斜锆石(bdy)、钙钛锆石(Zrl)和磷灰石(Ap)交生；（b）嵌晶结构岩屑，斜锆石与白磷钙矿富集于最后充填物中，含富铁橄榄石（Ol）、单斜辉石(Cpx)、方石英（Crs）等；（c）次辉绿结构岩屑，斜锆石与白磷钙矿交生；（d）等粒结构岩屑，自形磷灰石与斜锆石。SIMS pit为离子探针直径<3微米束斑分析后的残留痕迹。（注：斑状结构岩屑没有发现含锆矿物，代表性图片可参见文章的Extended Data Fig.2）

图2 嫦娥五号月球样品中玄武岩Pb-Pb等时线。（a）来自47个岩屑的159个多矿物测点拟合的Pb-Pb等时线；（b）上图等时线最低段放大图，突出显示含锆矿物测点

图3 106颗主要矿物的U-Pb分析结果。其中5个点具有超低的U/Pb比值，其Pb同位素分析结果代表岩石的初始Pb同位素组成

嫦娥五号月球样品的2030 ± 4 Ma玄武岩较之前获得的最年轻月球样品还要年轻8亿年以上，标示着嫦娥五号任务的科学目标得到圆满实现，所取得的样品重新改写了对月球演化的认识。源区μ值显著不同于KREEP组分特征，指示源区乃至岩浆过程中没有混染KREEP组分（图4），指示玄武岩岩浆熔融并非放射性生热元素多而导致。此前不同研究者通过撞击坑统计定年法得到的嫦娥五号着陆区岩石年龄相差很大，最主要的原因是10-30亿之间没有定标点（图5）。本次研究获得的嫦娥五号玄武岩年龄为这条年代学曲线在20亿年提供了关键锚点，将极大提高“撞击坑定年法”的精度，为未来研究内太阳系行星表面年龄打下扎实基础。

图4 返回月球样品与部分月球陨石年龄和源区μ值分布

图5 嫦娥五号玄武岩年龄在撞击坑统计定年曲线上的锚点作用

除所获得的科学认识之外，本次嫦娥五号月球样品定年研究过程中获得了宝贵的经验和困难应对策略。月球因体积小而初始岩浆洋温度高，Pb作为挥发性元素丢失殆尽，导致月球样品的初始Pb组成和地球上具有极大的不同，因此最需关注的是要避免地球铅污染的影响。应对措施主要有三个：一是尽可能多地分析高U矿物（一般为含锆矿物），这样的矿物放射成因Pb量大，普通Pb所占比例就会大幅降低；二是采用小束斑技术（本工作采用<3微米束斑分析含锆矿物），避免颗粒裂隙或颗粒边界可能容纳的污染物；三是样品表面吹氧技术，可以提高斜锆石Pb离子产率7倍以上，而对可能的污染Pb没有贡献。该研究为今后月球样品精确定年提供了重要的方法基础。 　　

研究成果发表于国际学术期刊Nature （李秋立^#，周琴^#，刘宇，肖智勇，林杨挺，李金华，马红霞，唐国强，郭顺，唐旭，原江燕，李娇，吴福元，欧阳自远，李春来^*，李献华^*.Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts[J]. Nature, 2021. DOI:10.1038/s41586-021-04100-2）（原文链接）。该成果受中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-13）、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202101）、基金委面上项目（41773044）和民用航天预先研究项目（D020203）共同资助。