中新網(wǎng)北京7月10日電 (記者 孫自法)中國科學家對嫦娥六號采自月球背面南極-艾特肯盆地(SPA)的28億年前的玄武巖樣品進行研究，最新又取得一項重大科學成果——揭示月球背面月幔物質(zhì)的“超虧損”(通俗而言即異常“貧瘠”)特征，并提出其成因的兩種可能模型，從而為全面了解月球早期的殼-幔演化歷史提供了關(guān)鍵信息。

這項破解月球內(nèi)部異常“貧瘠”之謎的成果論文，由中國科學院國家天文臺聯(lián)合中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、中國地質(zhì)大學(北京)、北京高壓科學研究中心、東華理工大學等多家科研院校的研究團隊共同完成，并同嫦娥六號月背樣品的另三項科研成果一起，于北京時間7月9日夜間以封面文章形式在國際知名學術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。

“一扇窗口”

研究團隊介紹說，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。科學家提出了很多理論來解釋月球的這種“二分性”特征，包括月球形成早期巖漿洋冷卻結(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)都只在月球正面進行，月球背面樣本的缺失使得背面深部月幔特征一直是未解之謎。

本項研究的南極-艾特肯(SPA)撞擊對深部月幔的影響及隨后嫦娥六號玄武巖的形成模型。中國科學院國家天文臺 供圖

2024年6月，中國嫦娥六號任務(wù)成功實現(xiàn)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”。

研究團隊對嫦娥六號采回樣品中28億年前的玄武巖屑進行詳細和深入研究，包括觀察巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分和特殊的同位素“化學指紋”分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，形成這些玄武巖的“初始原料”即月球內(nèi)部的深部物質(zhì)(稱為月幔源區(qū))，其狀態(tài)極其“貧瘠”，專業(yè)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

為了解釋這種極端的“超虧損”特性是如何形成的，研究團隊提出“先天貧瘠”和“后天改造”兩種可能的模型。

本項研究的月球玄武巖的月幔源區(qū)相關(guān)同位素演化模型。中國科學院國家天文臺 供圖

“先天貧瘠”模型認為，在月球形成初期，整個月球是一個巨大的巖漿海洋。這個巖漿海洋在冷卻結(jié)晶時，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。在這個過程中，不容易進入早期結(jié)晶礦物的元素被帶走了(不相容元素)，留下深部的殘余物質(zhì)本身就非常“貧瘠”(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。

“后天改造”模型認為，月球背面經(jīng)歷了巨大的南極-艾特肯盆地撞擊事件，后期強烈的火山活動影響并改造了相對淺部的月幔區(qū)域，相當于做了一次“大抽血”——大量巖漿(熔體)被抽取出來并噴發(fā)到表面或侵入到月球地殼中。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，變得極度“貧瘠”，形成“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(低于40%)，就可以形成嫦娥六號玄武巖漿。

關(guān)鍵一步

研究團隊表示，如果“先天貧瘠”模型成立，意味著嫦娥六號玄武巖可能就來自這種深部、未受后期事件顯著擾動的、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)，在最初的巖漿洋形成時可能是相似的、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”。

如果“后天改造”模型成立，表明南極-艾特肯盆地形成時的巨型撞擊事件，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，也可能時行星內(nèi)部物質(zhì)演化的重要推手。

中國科學院國家天文臺李春來研究員解讀本項研究成果時介紹嫦娥六號任務(wù)飛行過程。中新網(wǎng)記者 孫自法 攝

他們強調(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”，其南極-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)，為人們了解月球早期內(nèi)部如何分層、冷卻和演化提供了獨一無二的信息，從而成為揭開月球正背面巨大差異之謎的關(guān)鍵一步。(完)

【編輯:劉歡】