月背樣品，最新研究成果公布！

2月28日，由國(guó)家航天局組織，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所離子探針中心牽頭組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)布了嫦娥六號(hào)月球背面樣品的最新研究成果，相關(guān)論文在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表，該成果為人類研究月球起源與演化等重大科學(xué)問(wèn)題提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

現(xiàn)在大家提到月亮，總會(huì)不自覺(jué)地與“涼”“水”“冷”聯(lián)系在一起，如果時(shí)間回到 45 億年前，“火熱的月亮”很可能才是常態(tài)，而且之后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里都是如此。

為什么這么說(shuō)呢？月球的起源和演化到底是怎么回事？今天就來(lái)講講那些嫦娥六號(hào)和它帶回家的月壤樣品帶回來(lái)的訊息。

月亮，曾是夜空中的大火球？

月球是如何誕生的？

原來(lái)的主流科學(xué)理論認(rèn)為：大約 45 億年前，一顆跟火星差不多大的原始行星與形成未久的原始地球撞到了一起，噴濺出的物質(zhì)在引力作用下迅速匯集，不到一年就形成了原始月球。相比于幾十億年的時(shí)光，這可真稱得上“一眨眼功夫”，無(wú)數(shù)撞擊碎片的引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成大量熱能，被囚禁在月球小小的身軀中，只有通過(guò)表面輻射才能慢慢散到太空中去。因此，原始月球的溫度非常高，表面都是熔融的巖漿洋。

根據(jù)這個(gè)理論，隨著巖漿洋逐漸冷卻，它的礦物成分陸續(xù)結(jié)晶分離。其中，比較致密的礦物（如橄欖石、輝石等）沉入深處構(gòu)成月幔，較輕的礦物（如斜長(zhǎng)石）浮向表面形成月殼。還有一些元素受自身離子特性限制，很難進(jìn)入造巖礦物晶體結(jié)構(gòu)，于是在巖漿中一直耗著，最終不情不愿地凝結(jié)在早已成形的月幔和月殼的夾縫之間。

這些“不相容元素”以鉀（K）、稀土元素（Rare Earth Elements, REE）和磷（P）為代表，連寫(xiě)就是 KREEP，漢譯“克里普巖”?？死锲諑r中還富集鈾、釷等放射性元素。而克里普巖，就是巖漿洋存在的重要證據(jù)，可以說(shuō)月球上發(fā)現(xiàn)克里普巖的地方，就意味著存在過(guò)巖漿洋。

巖漿洋理論也受到了包括我國(guó)嫦娥五號(hào)月壤樣品及多個(gè)其他國(guó)家的月球研究成果支持。支持證據(jù)很豐富，包括斜長(zhǎng)石含量超過(guò) 90% 的月陸巖石樣品，以及月壤中的克里普巖組分。

然而，這個(gè)理論還不夠令人放心，因?yàn)橹安杉臉悠肪鶃?lái)自月球正面，可是月球正面和背面不但外表“判若兩月”，遙感分析也發(fā)現(xiàn)月球正面和背面的物質(zhì)構(gòu)成差異很大，尤其是富含克里普巖的區(qū)域集中在正面的風(fēng)暴洋地塊。那么問(wèn)題來(lái)了：看來(lái)巖漿洋至少確實(shí)在月球正面存在過(guò)，但它是否曾遍及全月？月球的正面和背面為何有這么大差異？如果沒(méi)有來(lái)自月球背面的樣品，就好比拼圖缺了一半。

而在對(duì)嫦娥六號(hào)采集的月球背面樣品進(jìn)行的一項(xiàng)新研究中，就找到了拼圖另一半的關(guān)鍵幾片。這項(xiàng)研究為月球在誕生后的早期階段完全被熔融“巖漿洋”覆蓋的假說(shuō)提供了關(guān)鍵證據(jù)，可以推進(jìn)對(duì)月球的起源和演化的理解。

釷元素指示的克里普巖分布，左月球正面，右月球背面 · 圖源 NASA

嫦娥六號(hào)樣品，研究出了啥？

先總結(jié)一下，這次的一個(gè)主要成果，就是從月背帶回來(lái)的月壤樣品中發(fā)現(xiàn)了克里普巖，這證明了月球背面也存在過(guò)巖漿洋，下面就詳細(xì)說(shuō)說(shuō)。

2024 年，嫦娥六號(hào)任務(wù)完成了人類的首次月球背面采樣，它從南極-艾特肯盆地內(nèi)的阿波羅盆地取回了 1935.3 克月壤樣品。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所的團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)到 2 克用于科學(xué)研究。這份樣品的編號(hào)是 CE6C0010YJFM004，別看這么一大串像個(gè)密碼，這個(gè)編號(hào)指的其實(shí)是嫦娥六號(hào)（CE6）鏟取（C）的供研究（YJ）目的的粉末（FM），只要你會(huì)漢語(yǔ)拼音，理解起來(lái)就毫無(wú)困難……

rId5圖片來(lái)源：新華社

研究團(tuán)隊(duì)從樣品中中挑選出了 33 顆尺寸大于半毫米的玄武巖屑，分為 3 種典型結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)和正面玄武巖的化學(xué)性質(zhì)相似，并可歸類為低鈦-低鉀類型。

嫦娥六號(hào)樣品中 3 種典型結(jié)構(gòu) · 來(lái)源地質(zhì)研究所《科學(xué)》論文

團(tuán)隊(duì)使用高靈敏度、高分辨率二次離子質(zhì)譜儀，系統(tǒng)地測(cè)定了玄武巖屑中的磷酸鹽、鋯礦物和鉀長(zhǎng)石的鈾-鉛同位素組成，限定了嫦娥六號(hào)樣品中玄武巖的形成年齡為 28.23±0.06 億年，為月球背面的晚期火山活動(dòng)提供了關(guān)鍵年代學(xué)證據(jù)。

怎么測(cè)定巖石的形成年齡呢？一種常用方法就是用巖石自帶的“計(jì)時(shí)器?！睅r石中有 2 種放射性的鈾同位素（質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同），其衰變最終結(jié)果是 2 種穩(wěn)定的鉛同位素，此外還有一種穩(wěn)定的鉛同位素，不是任何元素衰變的產(chǎn)物。當(dāng)巖漿結(jié)晶成巖石時(shí)，就構(gòu)成了一個(gè)封閉系統(tǒng)，這團(tuán)巖漿原本具有的鈾和鉛隨之定格。

隨著歲月流逝，巖石里的 2 種鈾會(huì)各自按照已知的衰變速度漸漸減少，2 種鉛漸漸增加，還有一種鉛不增不減。我們采集到月巖，使用離子質(zhì)譜儀數(shù)數(shù) 3 種鉛各有多少，就能倒推出它的結(jié)晶年代。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算出嫦娥六號(hào)玄武巖源區(qū)（即巖石形成時(shí)所處的巖漿環(huán)境）的鈾鉛比相對(duì)較高（而鈾、釷等元素易在克里普巖中富集），進(jìn)而判斷嫦娥六號(hào)克里普組分的加入量約為 3%-4%（因?yàn)楹勘容^低，所以以前的遠(yuǎn)距離觀測(cè)難以測(cè)出）。這表明月球背面也存在克里普層，支持了巖漿洋曾遍布整個(gè)月球的假設(shè)。

低鈦玄武巖形成年齡與μ值關(guān)系圖 · 來(lái)源地質(zhì)研究所成果快訊

這次新研究還揭示了月背玄武巖中鉛的演化路徑異于正面。從月球正面取得的樣品來(lái)看，月巖越年輕，其源區(qū)的鈾鉛比越高，但嫦娥六號(hào)樣品偏離了這一趨勢(shì)。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這一現(xiàn)象與形成南極-艾特肯盆地的巨型撞擊事件有關(guān)。

前文說(shuō)過(guò)，目前主流理論認(rèn)為月球其實(shí)是 45 億年前，被小行星從地球上“撞”出來(lái)的，2 億年后，輪到月球自己了——嫦娥六號(hào)著陸的這個(gè)盆地，就是由 43 億年前一次猛烈的小行星撞擊形成。這次撞擊在月面上留下了一片巨大的暗色“疤痕”，深達(dá) 13 公里，超過(guò)馬里亞納海溝，橫跨 2500 公里，相當(dāng)于從北京到三亞的距離，是太陽(yáng)系內(nèi)已知最古老、最大的撞擊盆地。這場(chǎng)撞擊很可能改變了早期月幔的物理和化學(xué)性質(zhì)，使月球正面和背面走上了不同的演化道路。

意義與展望

研究月球背面樣品的成果，對(duì)解答月球的二分性、全面了解月球的形成與演化歷史具有重大意義。研究團(tuán)隊(duì)還希望找到來(lái)自月幔的物質(zhì)，以便更深入地探究月球早期的歷史。月球是陪伴地球幾十億年的“青梅竹馬”，它的經(jīng)歷有助于了解地球自身——由于板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與風(fēng)化侵蝕，地球很難保住早期的巖石記錄。通過(guò)研究月球的地質(zhì)演化，也可以推導(dǎo)類地行星的演化發(fā)展，對(duì)于行星科學(xué)研究具有重要意義。

嫦娥六號(hào)作為人類首次從月球背面采樣返回的任務(wù)，使我國(guó)一舉躍升深空探測(cè)領(lǐng)域的最前沿，并獲得了揭示月球早期演化奧秘的獨(dú)特科學(xué)資源，為重構(gòu)地月系統(tǒng)形成機(jī)制提供了難以復(fù)制的關(guān)鍵證據(jù)。本文介紹的這項(xiàng)研究?jī)H僅用掉了嫦娥六號(hào)帶回月壤的千分之一，而分發(fā)給其他機(jī)構(gòu)的樣品更是裝著無(wú)數(shù)秘密的盲盒。我們滿懷信心地盼望全國(guó)乃至全球的科研團(tuán)隊(duì)成果斐然，捷報(bào)頻傳。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adt3332

[2]http://www.igeo.cgs.gov.cn/kycg/cgkx_2793/202502/t20250228_781698.html

[3]https://english.www.gov.cn/news/202502/28/content_WS67c1238dc6d0868f4e8f0212.html

[4]https://www.nature.com/articles/38669

策劃制作

作者丨曲炯 科普創(chuàng)作者

審核丨劉茜 北京天文館研究員

策劃丨丁崝

責(zé)編丨丁崝

審校丨徐來(lái) 林林