7月9日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志正式發(fā)表了中國嫦娥六號（CE6）月球背面采樣任務(wù)的又一重大科學(xué)成果?？蒲袌F(tuán)隊(duì)對嫦娥六號從月球背面南極-艾特肯盆地（SPA）帶回的玄武巖樣品進(jìn)行了深入分析，揭示了月球背面月幔深部物質(zhì)的“超虧損”特征，并提出了其成因的兩種可能模型，為全面了解月球早期的殼-幔演化歷史提供了關(guān)鍵信息。
這項(xiàng)研究由中國科學(xué)院國家天文臺聯(lián)合中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）、北京高壓科學(xué)研究中心、東華理工大學(xué)等多家科研院校共同完成。
月球背面影像圖。國家天文臺研究員李春來供圖
月球正反面為何大不同？月球背面樣本是解謎鑰匙
月球的正面和背面差異巨大，正面相對平坦，有廣闊的玄武巖平原；背面則高地遍布，月海稀少，月殼也更厚?？茖W(xué)家提出了很多理論來解釋這種“二分性”，比如月球形成早期巖漿洋（LMO）冷卻結(jié)晶不均勻、月幔內(nèi)部物質(zhì)對流不對稱，正背面巨型撞擊作用的差異等。然而，過去所有的月球采樣任務(wù)都只在月球正面進(jìn)行，月球背面樣本的缺乏使得背面深部月幔特征一直是未解之謎。
2024年6月25日，嫦娥六號任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)了人類首次月球背面采樣，從南極-艾特肯盆地內(nèi)月海區(qū)域帶回了珍貴的月球背面樣本。這為研究月球背面的深部月幔物質(zhì)打開了一扇前所未有的窗口。
嫦娥六號玄武巖揭示“超虧損”月幔
與地球類似，月球自內(nèi)向外分別由月核、月幔與月殼構(gòu)成。據(jù)中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院地質(zhì)地球所研究員吳福元介紹，南極-艾特肯盆地是月球上最大、最深且最古老的撞擊坑，直徑約2500千米，該撞擊坑形成的能量大約相當(dāng)于原子彈爆炸的萬億倍。該盆地是月球上最低洼的地區(qū)，最深達(dá)13千米，也是月殼最薄的地區(qū)。在這里極有可能獲取深部月殼或月幔巖石。
研究團(tuán)隊(duì)對嫦娥六號返回樣品中距今約28億年的玄武巖屑進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括觀察巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分和特殊的“化學(xué)指紋”（Sr-Nd同位素）分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，形成這些玄武巖的“初始原料”——月球內(nèi)部的深處物質(zhì)（被稱為月幔源區(qū)），其狀態(tài)極其“貧瘠”，科學(xué)上稱為“超虧損”。這意味著它非常缺乏那些容易熔融、隨巖漿上涌的元素（即不相容元素）。
兩種模型解釋“超虧損”成因，指向月球演化關(guān)鍵謎題
為了解釋這種極端的“超虧損”特性是如何形成的，研究團(tuán)隊(duì)提出了兩種可能的模型：一是“先天貧瘠”：在月球形成初期，整個(gè)月球是一個(gè)巨大的巖漿海洋。這個(gè)巖漿海洋在冷卻結(jié)晶時(shí)，重的礦物（如橄欖石、輝石）沉到底部，形成下月幔；輕的礦物（如長石）浮到頂部形成月殼。在這個(gè)過程中，不容易進(jìn)入早期結(jié)晶礦物的元素（不相容元素）被帶走了，留下深部的殘余物質(zhì)本身就非?！柏汃ぁ?，即虧損不相容元素。這些深部的殘余物質(zhì)，只需要小比例的部分熔融（1%-1.5%）和較高的分離結(jié)晶作用（66%-75%）就可以形成嫦娥六號玄武巖漿。
如果這一模型成立，意味著嫦娥六號玄武巖來自深部、由巖漿洋直接結(jié)晶形成的超虧損月幔。這種超虧損狀態(tài)是月球形成初期就“天生”的。月球正背面深部的月幔物質(zhì)，在巖漿洋形成時(shí)可能是相似的、對稱的。人們目前看到的月球正背面的顯著差異，可能只是后期月質(zhì)作用改造結(jié)果的“表面現(xiàn)象”。
第二種模型是“后天改造”：月球背面經(jīng)歷了巨大的南極-艾特肯盆地撞擊事件，后期強(qiáng)烈的火山活動影響并改造了相對淺部的月幔區(qū)域，相當(dāng)于做了一次“大抽血”——大量巖漿（熔體）被抽取出來并噴發(fā)到表面或侵入月殼中。被抽走巖漿后剩下的月幔物質(zhì)，其不相容元素幾乎被榨干了，變得極度“貧瘠”，形成了超虧損狀態(tài)。這種被改造過的月幔，只需要經(jīng)過更小比例的部分熔融（0.7%-1.0%）和更低程度的分離結(jié)晶作用（0-40%）就可以形成嫦娥六號玄武巖漿。
如果該模型成立，表明南極-艾特肯盆地形成時(shí)的巨型撞擊事件，不僅重新塑造了月球的表面形態(tài)，還深刻影響了月球內(nèi)部的物質(zhì)組成，造成揮發(fā)性元素丟失以及同位素分餾。這為理解太陽系內(nèi)其他類地天體的早期殼-幔分異演化提供了新的思路，巨型撞擊作用不僅僅能重新塑造其表面形貌，也可能是行星內(nèi)部物質(zhì)演化的重要推手。
研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，無論嫦娥六號玄武巖源區(qū)是月球最初形成的“先天狀態(tài)”，還是后期巨型撞擊作用的“改造結(jié)果”，南極-艾特肯盆地下方發(fā)現(xiàn)的這種“超虧損”月幔，都是人類首次直接獲取月球背面深部物質(zhì)特性的關(guān)鍵證據(jù)，為人類了解月球早期內(nèi)部如何分層、冷卻和演化提供了獨(dú)一無二的信息，是揭開月球正背面巨大差異之謎的關(guān)鍵一步。
新京報(bào)記者 張璐
編輯 張磊 校對 李立軍
