不久之前，中国科学家在《科学》（Science）上报道了玉兔号月面探测的第一部分成果。时隔半个月不到，好消息再度传来：玉兔号的第二批数据也在上个月底的新一期《美国国家科学院院刊》(PNAS)上顺利发表，世界得以再度聆听到来自中国的月球之声。
上一次，玉兔是一位“月球物理学家”，通过向地下发射电磁波并接收反射波信号。它制作了一副深达400米的剖面，让世界首次直观地看到了月面之下的精细结构。而这一次，玉兔摇身一变，当起了“月球化学家”。通过测定月岩中含量稀少的元素，它还原出了雨海地区的火山活动史。
小兔子这次扮演的是化学家的角色。左图：moon.bao.ac.cn，右图：大绵羊
在新数据面前，人们发现月球的历史简直要比之前想象的要复杂太多。你知道吗？在数十亿年前，雨海那块曾经发生过一场规模不小的“浓缩铀实验”，建成了一座天然的“核电站”。不仅如此，玉兔还找到了一些新物质，而这些“在不该出现的时期内”出现的物质，很可能就是“核电站”的能量所催生的结果。
月亮上的故事看来注定是越来越有趣了。我们不妨跟着玉兔的步伐，继续进行这场精彩的月面发现之旅吧。
微量元素们的叙事
玉兔携带了四种主要的科研装备，分别是全景相机、探月雷达、成像光谱仪和X射线光谱仪。全景相机（Panoramic camera）好比是玉兔的“眼睛”，所见即所得，拍起照来方便得很；探月雷达（LPR，lunar penetrating radar）则犹如玉兔的“耳朵”。往地下发射电磁波后用雷达接收反射波，就可以知晓地下都有些什么样的结构了——这是上一次的报道；现在，轮到“四大法宝”中的另外两件登场了，它们是可视-近红外成像光谱仪（VNIS，Visible–Near Infrared Spectrometer）和粒子激发X射线谱仪（APXS，Active Particle-Induced X-ray Spectrometer，“Ai-Pix”）。此二物可以算是玉兔的“鼻子”了，通过它们，玉兔得以嗅到探测区域的各类矿物、元素的定量组成。
作为一颗岩石星球，月球的主要成分，和之前介绍过的陨石一样，不外乎那些更早期的恒星聚变留下的遗产。其中六种比例最大的元素，也就是所谓的主量元素（Major Elements），分别是氧、硅、铝、铁、钙和镁。但是，这次我们并没有时间去关心这些含量占有绝对优势的“领主们”，因为玉兔要寻找的是更加稀少的东西。它们的含量与主量元素相比几乎可以忽略不计，然而却是研究任何一个岩石星球的演化史都注定绕不过去的重要角色。它们，是所谓的微量元素（Trace Elements）。
在元素王国里，微量元素们可谓是真正的“卑微者”。根据定义，它们是指岩石中总含量不到0.1%的存在（和动辄上数十个百分点的六大主量比比看吧）。而且，微量元素还有一个十分特殊的性质——作为少数派的它们，无法像主量元素那样通过造岩矿物来“刷足存在感”。由于数量少到无法形成独立晶体，或者由于自身化学性质使然而无法形成稳定晶体，它们只能成为“寄生者”，成为“无房一族”，寄身于由主量元素所搭建好的矿物晶格里，作为前者的“杂质离子”而存在。
举一个最直观的例子：铕元素（Eu）。铕在岩石中含量稀少，是个典型的微量元素，而且也没有常见的，由它参与构成的自然化合物。但是由于它和主量元素中的钙元素性质特别相近，因此往往会混掺在钙盐的晶格——比如常见的钙长石（Anorthite，CaAl2(SiO4)2）中。
想象一下微观世界里的情景吧：在美丽而庞大的离子矩阵里，硅氧四面体搭着稳定而宏伟的骨架，无数钙离子充填其中，仿佛是一排整齐的阵列，静静地等待着你的检阅。但是，中间却不知为何偏偏塞了一个铕，一个简直要逼死强迫症的铕，一个看着就想把它捏出去的铕……
钙长石的微观结构，红色圆球代表氧，灰色与肉色圆球分别代表硅和铝，绿色圆球代表钙离子。而那个扎眼的蓝色圆球，则是混进来的铕。图片：ac-nice.fr
——这就是微量元素赋存状态的真实写照了。
可是，如果真的把这些卑微的、寄人篱下的元素作为掺进去的杂质而忽略掉，那么你可就亏大了。忽略微量元素，你就忽略掉了整个太阳系的历史、忽略掉了整个地球的历史、忽略掉了这46亿年发生在天上地下的一切林林总总的故事。我们说同位素定年时，我们依靠的是微量元素；我们说构造演化史时，我们依靠的是微量元素；我们还原数亿年前的古环境时，我们依靠着的依然是微量元素。一如陨石中的氩（Ar）可以告诉你整个太阳系的年龄；一如锶（Sr）、钕（Nd）可以告诉你古老板块运动的遗迹；一如铱（Ir）异常可以告诉你大灭绝背后的图景。如果说主量元素是太阳系历史舞台的搭建者，那么不妨听听这舞台上主旋律之外所谓的“杂音”吧。能够暴露一部历史最真实的蛛丝马迹的，不往往正是那些卑微者的身躯吗？
当然了，微观世界里的这一切，都在某只小兔子的眼皮底下被看的分明。玉兔使用光谱仪，对它着陆区的雨海玄武岩的元素成分进行了定量分析。除了主量元素外，这么几个重要的微量元素也被包括在内——铬（Cr）、锶（Sr）、锆（Zr）、钇（Y）、铌（Nb）等。雨海的历史，就这样从冰冷的玄武岩里被抽丝剥茧地取出来，传回38万千米开外，身在远方的观测者的眼里。
干涸的池水与最后的池鱼
我们都知道，嫦娥三号的着陆地点是雨海盆地。为什么要选这里进行着陆呢，一方面，我们得跟美国阿波罗任务（Apollo Missions）和前苏联月球计划（Luna Projects）的取样点错开，重复研究就没啥意思了；另一方面（也是最关键的），因为雨海这边坐落着那个研究月球历史时注定绕不过去的词眼——风暴洋克里普地体（Procellarum KREEP Terrain），这是月面上的一个化学异常区域。它的组成十分迥异，许多微量元素的含量值与月球平均成分相比都高出很多个数量级，简直就像是一个遗世独居的怪客一样。
嫦娥三号的着陆点。图片：wiki commons/NASA
这是怎么回事呢？
在之前的玉兔系列文章里，我们已经大致了解了月球演化的大章节——行星冲撞、月球形成、核幔分异、月陆凝固、后期陨击、月海溢流。彼时，我们讨论的是历史的主线，因此并没有过于关心那些编外的“异常行为”。现在，到了我们为这份积累起来的“异常”算一下帐的时候了。
事情是这样的：微量元素中有这么两大类——大离子亲石元素（LILE，Large Ion Lithophile Elements）和高场强元素（HFSE，High Field Strength Elements），它们特别喜欢呆在熔体里。月球从岩浆海开始一点点结晶凝固的过程中，它们很难掺杂到固体里一并沉淀下来，而总是倾向于继续留在剩余的熔体里，因此又被称为地幔的不相容元素（Imcompatible Elements）。当然，由于月球的全部凝固是不可逆转的大趋势，因此故事终归只能有一个注定的结局——那就是熔体越来越少，不相容元素们只能被放逐、再放逐，随着时间推移，一步步被围限到最后残留的小岩浆池子里。终于，冰冷的宇宙彻底侵袭了月面上一切尚有余温的事物。最后的“池水”（带着这些顽抗到底的不相容元素们）也就至此凝固。人们用这些元素的名字命名了这“最后干涸的池水”。因此，所谓的克里普地体（KREEP），其实也就是钾（K）、稀土元素（REE）与磷（P）的合称了。
道理不难理解，可是研究这“最后的池水”能有什么用呢？用途很多。首先，它代表着月壳凝固时期最后的一幕，因此，它的年龄可以用来标定月球凝固史的上限；其次，不相容元素里的很多都具有潜在的利用价值，既然月球为我们制造了一作天然储库，岂有不研究它们、以供未来可以进行实质勘探的道理？这些都是非常有意义的事情。
按说故事到此也差不多可以结束了，但是不相容元素里偏偏有一种非常有意思的成员，它的名字叫做铀（U）。我们想想，克里普地体干涸的过程，不也就是一个将铀的轻同位素（U-235）从整个月球尺度下逐渐浓缩分馏的过程吗？好，现在问题来了——当向你提及“铀浓缩”三个字时，你会想到些什么呢？
核动力的月球火山
这么说也不为过，玉兔证明了月球可能存在着一座天然的“核电站”。
核电站分两种：聚变的，裂变的。想找核聚变反应堆就去夜观星空吧，一闪一闪亮晶晶，漫天都是聚变炉。而以铀、钍（Th）这些重元素为燃料的裂变炉相对来说要少得多，只有在岩石行星上才有可能找到它们的痕迹。回到克里普地体，不相容元素铀在克里普地体里浓缩过程，等于把克里普地体变成了一座“天然核电站”。铀-235的集中注定将带来高异常的放射热，那么，谁又是它的“用电器”呢？
给力的兔子连用电器的遗迹也找到了。
通过探月雷达，玉兔发现雨海玄武岩的厚度远远超过预期的估算值，最晚的一期甚至厚达195米。仔细地研究后，玉兔告诉人们——这期熔岩，可能是在月球在早已凝固了7亿年之后，再度“复活”所喷发出的最新岩浆。
在35亿年前，月球和当时的地球一样，月表四处熔岩溢流。图片：Mark Garlick
上次我们回顾月球简史的时候已然知道，32亿年线是一个重要界限，它是雨海纪和爱拉托逊纪的分野。这个界限，标识着月海熔岩大溢流的结束，至此，月球整体彻底进入漫长的静默期，然而，玉兔新发现的巨厚熔岩，却表明熔岩的喷发甚至可以一直持续到25亿年前。按说此时离32亿年线已经过去了足足7亿年了啊。熔岩的持续活动必然需要大量热能的提供。谁来供给这份热能呢？
由于月球整体已经冷却，因此，答案的备选项自然也就落在了具有高浓度放射性铀的克里普地体这儿。正是被放逐的放射性物质们的“抱团取暖”，最终维持了这颗星球上最后的岩浆房。
这就是月亮，这就是我们的唯一卫星。这颗在晴朗之夜悬于夜幕的玉盘上，究竟还埋藏着多少有意思的往事？下一次，又有怎样更新鲜的故事从38万公里开外的彼岸传回地球的港湾呢？不妨关注中国探月工程的发展吧。一只玉兔之后，还将会有更强大的后继者。（编辑：老猫）
参考文献
- Xiao L et al (2015) A Young Multilayered Terrane of the Northern Mare Imbrium Revealed by Chang'E-3 Mission. Science 347:1226-1229.
- Zhang J et al (2015) Volcanic History of the Imbrium Basin: A Close-up View from the Lunar Rover Yutu. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 112(17):5342-5347.
题图来自绘本《嗨，有人在吗？——月球车玉兔日记》，绘图by大绵羊