导读

2021年，全世界科学界的一个大新闻是，中国科学家通过分析嫦娥五号取回的月壤，发现月球岩浆活动在20亿年前还存在。

2021年，全世界科学界的一个大新闻是，中国科学家通过分析嫦娥五号取回的月壤，发现月球岩浆活动在20亿年前还存在。此前美国和苏联对阿波罗计划和月球号计划取回的样品分析，得到的都至少是28亿年前。也就是说，中国科学家把月球的岩浆活动时间一下子延长了8亿年。

然而有一种声音说，这并不算很大的成就，因为中国分析样品的手段还是常规的，他们只是派出了更多的人力去拼而已。真的是这样吗？最近，我的朋友、中国科学院地质与地球物理研究所研究员李金华和李秋立等人发表文章，建立了嫦娥五号月壤样品单颗粒分析工作的流程图（嫦娥五号月壤样品单颗粒分析工作流程图 | 李金华等），我才发现中国这些成果绝非幸致。

嫦娥五号月壤和未来行星返回样品单颗粒综合分析工作流程图

这里的一个关键，是寻找富含锆（Zr）元素的颗粒。为什么要富Zr？因为样品定年的基础是准确分析从铀（U）衰变而来的放射成因铅（Pb），但样品中有些Pb是样品形成时就已经存在的，在地球上的处理过程还可能带入地球Pb的污染，只有把这些都扣除掉才能获得真正的放射成因Pb（李秋立等-Nature：嫦娥五号月球样品记录的20亿年前月球岩浆活动）。根据样品中各种Pb同位素的比例，通过拟合与外推就可以知道放射成因的Pb有多少，再根据放射成因Pb的积累过程，就可以算出样品的年龄。

以上说的是U和Pb，跟Zr有什么关系？因为要样品里放射成因的Pb多，就需要U多。而U是微量元素，很难直接找到含U多的样品。但U和Zr的离子半径相近，价态也都是+4价，所以有Zr的矿物中，U就容易通过置换反应进去。打个比方，Zr就好比U的马甲，马甲多了，正牌混进去的也就多了。

这些道理以前各国的科学家都知道，但他们并没有特意挑选，对含Zr矿物是随机去碰。所以看到中科院的研究成果这么快出来，有人以为他们是运气好，他们的含Zr矿物大一些。但其实并非如此，是因为中科院设计的路线好，技术好，他们在有的放矢。

具体而言，李金华、李秋立等人设计了两套方案，来精准定位月壤样品中的富Zr颗粒。

一是多颗粒快速定位。利用单颗粒显微操作技术，将微米尺寸的月壤样品制备成单颗粒的阵列。然后利用显微X-射线荧光光谱技术（µXRF）对样品阵列进行“无损、无接触和无污染”的快速扫描分析，获得所有颗粒的化学元素及其分布图像，结合谱学半定量分析技术，挑选出富含锆元素的目标颗粒（如图中的P6和P17）。20亿年的成果就是用这种方法做出来的。他们在拿到第一批月壤样品的24小时内，从中挑选出47个单颗粒目标样品，并精准定位了51个含Zr矿物，最后测得嫦娥五号月壤玄武岩形成的年龄为2030 ± 4百万年。

二是单颗粒精准定位，这是更新的方法。现在，他们设计了单颗粒综合分析的“六步走”工作流程图，基本思想是“先无损，后微损”、“先单颗粒，后微纳米尺度，最后原子水平”、“先侧重表面，后开展内部结构”。将现有的多种显微学和显微谱学技术，在分析的时间节点上进行排列组合，可对同一个样品获得不同尺度下多种信息。这些方法不仅适用于嫦娥五号月壤，还适用于未来的行星返回样品，而且适用于各种地球珍贵样品（如来自地球早期、深部或深海等来之不易、不可重现的微小样品）。以后，大家就会见到中国在这些方面越来越多的成果。

不经历风雨，怎么见彩虹，没有人能随随便便成功。方法论层面的进步，才是持续成功的保证。