月球火山活動的持續(xù)時間對構建月球熱演化模型有重要的意義，一直備受關注。美國阿波羅（Apollo）計劃和前蘇聯(lián)月球號（Luna）返回的9次月球樣品以及收集到的所有隕石樣品的年齡基本都大于30億年，認為月球的火山活動早已結束。嫦娥五號玄武巖樣品的精確定年結果為20.3 ± 0.04億年，證明了20億年前月球上仍然存在著較大規(guī)模的巖漿活動，該年齡是否是月球火山活動的終點呢？

月球的火山活動產物除了較大規(guī)模巖漿活動形成的巖石外，還有較小規(guī)模的火山噴泉帶來的火山碎屑，其中有火山玻璃珠，對這樣的玻璃珠進行定年同樣可以追溯月球巖漿活動歷史。然而，月球上普遍存在由于隕石撞擊導致月表材料熔融、熔體濺射分離并快速冷卻形成的沖擊玻璃珠。從大量玻璃珠中識別出只存在可能性的火山璃珠是一個巨大的挑戰(zhàn)。

最年輕的嫦娥五號月壤樣品是尋找更年輕的火山玻璃珠的理想對象，中國科學院地質與地球物理研究所李秋立研究員以此為研究目標，申請并獲批了約3克嫦娥五號月壤樣品，博士生王碧雯、博士后張謙及何雨旸副研究員等合作者，對從其中挑選出的約3000顆玻璃珠進行了詳細研究。根據Apollo樣品中玻璃珠的研究經驗，識別玻璃珠成因的標準包括結構、單顆玻璃珠化學組成（MgO：10 - 20 wt%；CaO：6 - 11 wt%；Al₂O₃：4 - 12 wt%，MgO/Al₂O₃?> 1.20 且CaO/Al₂O₃?> 0.75）以及化學組成的相關性（MgO vs Ni），然而以上每種標準都是判斷玻璃珠火山成因的充分不必要條件。研究團隊首先根據玻璃珠的BSE圖像選擇了約800顆較為均勻的玻璃珠進行電子探針成分分析，結合主量元素化學組成的判別標準，篩選出13顆疑似火山玻璃珠。由巖漿演化而來的組分其Ni含量與MgO含量呈現(xiàn)正相關趨勢，而月壤中存在高Ni含量隕石的殘留組分，這使得沖擊玻璃通常具有高Ni含量特點。對這13顆玻璃珠進行微量元素分析后，根據Ni含量與MgO含量的相關趨勢，進一步篩選出6顆潛在的火山玻璃珠。

元素的同位素特征帶有樣品的“指紋”信息，可以記錄源區(qū)信息和改造過程。在撞擊和火山過程中均存在揮發(fā)性元素的丟失（去氣），這兩個過程截然不同的去氣環(huán)境會導致?lián)]發(fā)性元素同位素不同方向的分餾。前人對火山玻璃珠的研究表明，火山玻璃珠的S同位素較輕并且S同位素值與S含量呈現(xiàn)正相關關系。然而，目前沒有關于沖擊玻璃珠S同位素的相關研究。已知月球火成巖及隕硫鐵的δ³⁴S 均在0 ‰附近，以此為原材料被撞擊形成的月球風化殼則具有顯著偏正的硫同位素組成，說明這些巖石在經歷撞擊風化過程中³²S丟失的更多。本研究對嫦娥五號沖擊玻璃珠的S同位素進行測量，發(fā)現(xiàn)其S同位素偏重且和S含量呈負相關的趨勢，這與理論預測相符。因此，S同位素特征可以作為區(qū)分玻璃珠成因的關鍵證據。對篩選出的6顆潛在火山玻璃珠進行S同位素分析，發(fā)現(xiàn)只有3顆其δ³⁴S是負值，在-12.3 ‰ 到 -9.5 ‰之間。結合結構-成分-主量-微量-同位素多方面判據，可以判斷這三顆為火山玻璃。

這三顆火山玻璃的U-Pb同位素體系定年結果為123 ± 15 Ma。結合以下特征：（1）三顆玻璃珠相對完整，僅第三顆是發(fā)生了脆性斷裂，沒有被顯著沖擊改造的痕跡；（2）三顆玻璃珠的Rb含量顯著高于其他沖擊玻璃珠，沒有發(fā)生Rb的顯著丟失，指示類似揮發(fā)性的Pb也沒有受到顯著影響；（3）三顆玻璃珠具有硫同位素顯著偏負的特征，因為撞擊導致丟失的過程會使得硫同位素向偏重的方向分餾，排除其受沖擊改造的影響。因此，測量的年齡就是三顆火山玻璃的形成時間，代表了月球上存在這一期的火山作用。

這一年輕火山作用的確認，將月球的火山活動時間又在嫦娥五號玄武巖年齡的基礎上延長了近19億年，遠遠超出了以往的經驗推斷，這對以往的月球熱演化模式提出了更大的挑戰(zhàn)。三顆火山玻璃的化學組成可以為我們提供一定的源區(qū)特征信息，它們顯著富集Na₂O, K₂O, P₂O₅以及稀土等不相容元素，表明其源區(qū)存在較高比例的KREEP（鉀+稀土+磷）組分。源區(qū)富集的KREEP組分可以通過放射性元素衰變生熱，導致月幔局部熱異常，引發(fā)物質的部分熔融產生巖漿并噴出地表。這些KREEP組分可能來自巖漿洋演化晚期的殘余物（urKREEP），也可能來自類似嫦娥五號玄武巖這種經歷高程度演化而富集不相容元素但滯留在月幔的巖漿。因此，雖然在月球上沒有觀測到較大規(guī)模晚期巖漿活動，但仍存在局部升溫引起的小規(guī)?；鹕絿姲l(fā)。

研究成果發(fā)表于國際頂級學術期刊Science（王碧雯?，張謙?，陳意，趙文昊，劉宇，唐國強，馬紅霞，蘇斌，惠鶴九，John W. Delano，吳福元，李獻華，何雨旸^*，李秋立^*. Returned samples indicate volcanism on the Moon 120 million years ago[J].?Science, 2024, 385(6713):1077-1080. DOI：10.1126/science.adk6635.）。成果得到國家自然科學基金（42225301，42241105）、中國科學院先導B項目（XDB0710000）、中國科學院地質與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-202101，IGGCAS-202204）和博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20220294）共同資助。