2024年,我国嫦娥六号探测器在人类历史上首次完成月球背面采样返回任务。
中国科学院广州地球化学研究所承接部分月壤样本分析工作后,近期在月球科学研究领域取得系列重大突破,相关成果已在国际权威学术期刊发表。
月球正面与背面在地形地貌、物质成分、地壳厚度及岩浆活动等方面呈现显著差异,学界称之为"月球二分性"。
这一现象的形成机制长期困扰科学界,成为月球科学研究的核心难题之一。
嫦娥六号着陆于月球背面南极-艾特肯盆地,该盆地是月球上规模最大、深度最深且年代最古老的撞击构造,为揭示月球正背面物质组成差异提供了宝贵研究样本。
中国科学院院士徐义刚与高级工程师张乐领衔的研究团队,运用超高空间分辨率二次离子质谱定年技术和激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱技术,对样品中微小含锆矿物及相关矿物开展了精密同位素分析。
研究确认,嫦娥六号样品主要由着陆区的低钛月海玄武岩和少量超低钛月海玄武岩构成。
定年结果显示,低钛玄武岩形成于距今28.3亿年前的火山喷发事件,这一发现首次证实月球背面同样存在距今30亿年以来的年轻火山活动。
同位素分析结果揭示,嫦娥六号样品具有极低的铀铅比值和初始锶同位素比值,以及目前已知最高的钕同位素正异常值。
这些地球化学特征表明,样品源自一个高度亏损不相容元素的月幔区域。
这类月幔源区难以发生大规模熔融,因而无法产生广泛分布的玄武岩火山活动,从而解释了南极-艾特肯盆地内月海玄武岩分布稀少的现象。
传统理论认为,月球背面较厚的月壳阻碍了岩浆上涌,导致月海分布不对称。
然而该模型无法解释月壳较薄的南极-艾特肯盆地同样缺乏大规模月海玄武岩的事实。
本次研究表明,月海玄武岩的分布不仅受月壳厚度制约,月幔源区的物质组成同样发挥着关键作用。
这一认识深化了对月球内部结构与演化过程的理解。
研究团队进一步从样品中识别出两类形成时间相近但成分与来源深度迥异的玄武岩:一类源自月幔深部超过120公里处的超低钛玄武岩,另一类来自60至80公里深度的低钛玄武岩。
通过模拟月球内部高温高压环境,研究人员推断这两类岩石分别来自月球早期岩浆海洋冷却后形成的不同岩层。
基于上述发现,研究团队提出了新的月球热动力演化机制:随着月球逐渐冷却,岩石圈持续增厚,深部岩浆难以直接喷出地表,只能滞留在月幔浅部。
这些滞留岩浆向上传导热量,触发浅部月幔部分熔融,最终导致火山喷发。
团队分析全月球遥感数据后发现,约30亿年前后月球火山活动的热动力机制发生明显转变:30亿年前热源复杂多样,可能包括放射性衰变、潮汐作用和陨石撞击等多种因素;30亿年之后则以自下而上的热传导机制为主导,年轻火山活动的源区集中于浅部月幔。
此外,本次研究获得的年龄数据填补了月球撞击历史研究在距今约32亿至20亿年间缺乏样品标定的空白,更新了行星地质学领域广泛应用的撞击坑统计定年曲线。
新曲线显示,月球在经历早期高频率小天体撞击后,撞击频率迅速下降,至28.3亿年前已达到相对稳定状态。
从月背取回的一把月壤，价值不止于刷新纪录，更在于把长期悬而未决的问题拉回到可验证的科学轨道。
随着样品数据不断累积、理论模型持续完善，人类对月球“为何不同、如何演化、何以至今”的理解将更趋清晰，也将为我国深空探测在更高层次上实现科学突破与技术牵引奠定坚实基础。