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                        嫦娥五號樣品新貢獻:實驗室團隊建立新的月球年代函數模型

                        作者:來源:發布時間:2022-02-17

                          北京時間2月15日,《自然-天文學》雜志(Nature Astronomy)發布了月球科學研究的一項重要成果。遙感科學國家重點實驗室行星遙感團隊及合作者,利用嫦娥五號月球樣品的同位素年齡和著陸區撞擊坑統計結果,在目前常用月球年代函數的基礎上建立了新的更精確的年代函數模型,為月球和行星科學研究提供更精確的時間標尺。

                          在月球和行星科學研究中,確定重要地質單元和重大地質事件的年齡至關重要。早期阿波羅(Apollo)和月球(Luna)探測任務在月球表面采集了樣品(圖1a),并通過同位素測年方法得到了這些樣品的精確年齡,它們代表了樣品所在地質單元的年齡。為了將這些有限的年齡信息應用到月球全球,歐美科學家們建立了撞擊坑統計定年方法,包括描述撞擊坑大小-頻率分布規律的產率函數和描述撞擊坑歸一化頻率與絕對年齡關系的年代函數,前者通過遙感圖像撞擊坑統計分析得到,后者通過樣品年齡及其所在地質單元撞擊坑歸一化頻率得到。其中最著名和廣泛應用的是德國柏林自由大學格哈特·紐庫姆(Gerhard Neukum)教授建立的產率函數和年代函數,自1983年建立沿用至今。

                          然而,遺憾的是,Apollo和Luna采集的樣品年齡在約30億年至10億年間有一個很大的空白區間,幾乎占據了月球地質歷史的一半,這也使得年代函數的可靠性一直受到質疑。因此,尋找月球表面20億年左右地質單元的樣品對驗證和改進月球年代模型具有重大意義,這也成為嫦娥五號任務的科學目標之一。2020年12月1日,嫦娥五號在月球正面風暴洋北部呂姆克山、夏普月溪附近安全著陸,所返回樣品的同位素測量結果表明其年齡為20.3億年,與預期吻合很好。嫦娥五號樣品年齡為月球年代函數的改進提供了一顆珍貴的“金釘子”,是嫦娥五號樣品對月球科學研究的一個獨特貢獻。

                        圖1. 月球著陸采樣區域(a)和嫦娥五號著陸區撞擊坑統計(b)

                          研究團隊基于高分辨月球遙感影像的撞擊坑統計分析結果(圖1b)和撞擊坑產率函數得到嫦娥五號采樣點地質單元的撞擊坑歸一化頻率(即N(1)值),與嫦娥五號樣品的年齡構成建立月球年代函數模型一組新的控制數據,通過非線性最小二乘擬合算法,對Neukum (1983)年代函數進行更新,建立了新的月球年代函數模型:

                          并對比了新老函數的差異(圖2a)。分析表明,根據新的年代函數得到的定年結果在大部分情況下更老一些,最大的差別在2億年左右(即0.2Ga,見圖2b、2c)。由于增加了嫦娥五號關鍵數據點,新的月球年代函數模型定年的精度優于經典的Neukum (1983)模型,可用于今后月球地質單元的定年。進一步,可根據新的月球年代函數,推演火星、水星等其他地外行星的新年代函數,提高定年精度。新月球年代函數,是一把更精確的時間標尺,將在月球和行星科學研究中發揮重要作用。

                        圖2. 新月球年代模型及其與Neukum (1983)模型的差異。

                          a. 月球年代模型對比,紅色實線表示新年代函數模型,黑色虛線表示Neukum (1983)模型;b. 不同撞擊坑歸一化頻率對應的年齡差異;c. 不同地質時間對應的年齡差異

                          該成果得到了審稿人的高度評價。其中一位審稿人表示,“這項原創性工作具有重要意義,我想整個行星科學領域都會對這個結果感興趣”。

                          論文的第一作者和通訊作者分別是行星遙感團隊的遙感科學國家重點實驗室岳宗玉研究員和邸凱昌研究員,論文的合作單位有中國科學院地球化學研究所和中國科學院國家天文臺。該研究得到中科院、國家自然科學基金委相關項目支持。

                          相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41550-022-01604-3。

                           

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