嫦娥六号玄武岩样品最新研究：破解月球内部异常“贫瘠”之谜

中国科学家对嫦娥六号采自月球背面南极-艾特肯盆地(SPA)的28亿年前的玄武岩样品进行研究，最新又取得一项重大科学成果——揭示月球背面月幔物质的“超亏损”(通俗而言即异常“贫瘠”)特征，并提出其成因的两种可能模型，从而为全面了解月球早期的壳-幔演化历史提供了关键信息。

这项破解月球内部异常“贫瘠”之谜的成果论文，由中国科学院国家天文台联合中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质大学(北京)、北京高压科学研究中心、东华理工大学等多家科研院校的研究团队共同完成，并同嫦娥六号月背样品的另三项科研成果一起，于北京时间7月9日夜间以封面文章形式在国际知名学术期刊《自然》上线发表。

“一扇窗口”

研究团队介绍说，月球的正面和背面差异巨大，正面相对平坦，有广阔的玄武岩平原；背面则高地遍布，月海稀少。科学家提出了很多理论来解释月球的这种“二分性”特征，包括月球形成早期岩浆洋冷却结晶不均匀、月幔内部物质对流不对称、正背面巨型撞击作用的差异等。然而，过去所有的月球采样任务都只在月球正面进行，月球背面样本的缺失使得背面深部月幔特征一直是未解之谜。

2024年6月，中国嫦娥六号任务成功实现人类首次月球背面采样，从南极-艾特肯盆地内月海区域带回珍贵的月球背面样本，这为研究月球背面的深部月幔物质“打开了一扇前所未有的窗口”。

研究团队对嫦娥六号采回样品中28亿年前的玄武岩屑进行详细和深入研究，包括观察岩石结构、矿物成分和特殊的同位素“化学指纹”分析。结果发现，形成这些玄武岩的“初始原料”即月球内部的深部物质(称为月幔源区)，其状态极其“贫瘠”，专业上称为“超亏损”，这意味着它非常缺乏那些容易熔融、随岩浆上涌的元素(即不相容元素)。

两种模型

为了解释这种极端的“超亏损”特性是如何形成的，研究团队提出“先天贫瘠”和“后天改造”两种可能的模型。

“先天贫瘠”模型认为，在月球形成初期，整个月球是一个巨大的岩浆海洋。这个岩浆海洋在冷却结晶时，重的矿物(如橄榄石、辉石)沉到底部，形成下月幔；轻的矿物(如长石)浮到顶部形成月壳。在这个过程中，不容易进入早期结晶矿物的元素被带走了(不相容元素)，留下深部的残余物质本身就非常“贫瘠”(亏损不相容元素)。这些深部的残余物质，只需要小比例的部分熔融(1%-1.5%)和较高的分离结晶作用(66%-75%)，就可以形成嫦娥六号玄武岩浆。

“后天改造”模型认为，月球背面经历了巨大的南极-艾特肯盆地撞击事件，后期强烈的火山活动影响并改造了相对浅部的月幔区域，相当于做了一次“大抽血”——大量岩浆(熔体)被抽取出来并喷发到表面或侵入到月球地壳中。被抽走岩浆后剩下的月幔物质，其不相容元素几乎被榨干，变得极度“贫瘠”，形成“超亏损”状态。这种被改造过的月幔，只需要经过更小比例的部分熔融(0.7%-1.0%)和更低程度的分离结晶作用(低于40%)，就可以形成嫦娥六号玄武岩浆。

关键一步

研究团队表示，如果“先天贫瘠”模型成立，意味着嫦娥六号玄武岩可能就来自这种深部、未受后期事件显著扰动的、由岩浆洋直接结晶形成的“超亏损”月幔。这种“超亏损”状态是月球形成初期就“天生”的。月球正背面深部的月幔物质，在最初的岩浆洋形成时可能是相似的、对称的。人们目前看到的月球正背面的显著差异，可能只是后期月质作用改造结果的“表面现象”。

如果“后天改造”模型成立，表明南极-艾特肯盆地形成时的巨型撞击事件，不仅重新塑造了月球的表面形态，还深刻影响月球内部的物质组成，造成挥发性元素丢失以及同位素分馏。这为理解太阳系内其他类地天体的早期壳-幔分异演化提供了新的思路——巨型撞击作用不仅仅能重新塑造其表面形貌，也可能时行星内部物质演化的重要推手。

他们强调，无论嫦娥六号玄武岩源区是月球最初形成的“先天状态”，还是后期巨型撞击作用的“改造结果”，其南极-艾特肯盆地下方发现的这种“超亏损”月幔，都是人类首次直接获取月球背面深部物质特性的关键证据，为人们了解月球早期内部如何分层、冷却和演化提供了独一无二的信息，从而成为揭开月球正背面巨大差异之谜的关键一步。