2024年，我国嫦娥六号在人类历史上首次实现月球背面采样返回。此后，中国科学院广州地球化学研究所（下称“广州地化所”）承担了一部分月壤样本的分析研究工作。近两年以来，广州地化所团队在月壤样本研究方面取得了一系列重大进展。

首次揭示月球背面存在“年轻”的岩浆活动

2024年11月，《Science》杂志发表了由广州地化所团队完成的一项重要研究成果——首次揭示月球背面同样存在年轻的岩浆活动，为揭示月球二分性、完善全月演化框架提供了关键科学证据。该成果由中国科学院院士、该院研究员徐义刚和高级工程师张乐领衔的研究团队完成。

据悉，月球的二分性是指月球正面和背面在形貌、成分、月壳厚度、岩浆活动等方面存在的显著差异，但其形成机制仍未得到解决，成为现今月球科学最大的关键问题之一。

据介绍，嫦娥六号月球探测器带回地球的样品采集于月球背面的南极-艾特肯盆地，该盆地是月球上最大、最深且最古老的盆地，为厘清月球正面和背面物质组成的差异、破解月球二分性之谜提供了难得的机遇。

研究发现，嫦娥六号样品主要由着陆区原地的低钛月海玄武岩和少量来源于着陆区东侧的超低钛月海玄武岩组成。研究人员利用超高空间分辨率SIMS定年技术和激光剥蚀多接收电感耦合等离体质谱技术，分别对玄武岩屑中微小含锆矿物（＜5微米）以及斜长石和晚期填隙物开展了微区Pb-Pb和Sr-Nd同位素分析，标定嫦娥六号低钛玄武岩形成于距今28.3亿年前的火山喷发，揭示月球背面同样存在着距今30亿年以来的年轻的火山活动。

与采自月球正面的样品相比，嫦娥六号样品具有极低的μ值（238U/204Pb）和初始Sr同位素比值，以及迄今为止报道的最高的εNd值，指示其具有一个十分亏损不相容元素的月幔源区。这样的月幔源区难以发生显著规模的熔融及相应的玄武岩火山活动，并最终导致了南极-艾特肯盆地内缺乏大规模的月海玄武岩。

传统观点认为，月球背面的月壳较厚，抑制了月海玄武岩喷发，导致月球正面和背面的月海分布不对称。然而这一模型不能解释为什么月壳很薄的南极-艾特肯盆地也匮乏大规模的月海玄武岩。本次研究表明，月海玄武岩的分布除受月壳厚度影响外，月幔源区的物质组成也是重要的控制因素。

此外，本研究获得的年龄数据还弥补了月球撞击历史研究在至今约32亿–20亿年间缺乏样品标定的空白，更新了行星地质学领域广泛使用的撞击坑统计定年曲线。新获取的定年曲线显示月球在经历早期高频率的小天体撞击后，撞击频率快速下降，在28.3亿年前已达到整体稳定的状态。

基于新发现提出新的月球热动力机制

其后，广州地化所的研究团队还从嫦娥六号样品中识别出两类形成时间相近（约28亿和29亿年前）、但成分和来源深度迥异的玄武岩：其中，一类是源自月幔深处（超过120公里）的“超低钛玄武岩”；另一类“低钛玄武岩”则来自较浅的月幔（60–80公里）。通过模拟月球内部的高温高压环境，研究人员发现，这两类岩石来自月球早期岩浆海洋冷却后形成的两种不同岩层：普通的辉石岩层和含钛铁矿的辉石岩层（IBC）。

基于对嫦娥六号两类玄武岩的对比，研究团队提出了一个新的热动力机制：随着月球冷却，其岩石圈不断增厚，深部岩浆难以直接喷出，只能滞留在月幔浅部辉石岩层的底部。这些“被卡住的”岩浆可向上传导热量，从而触发浅部月幔部分熔融，导致火山喷发。

为进一步验证该模型，团队还分析了全月球遥感数据，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，可能包括放射性物质、潮汐力和陨石撞击等；而30亿年之后则趋于单一，自下而上的热传输机制占据主导，使得年轻月球火山活动的源区集中在浅部月幔。

对全月球遥感数据的进一步分析显示，月球正面的晚期火山岩石化学特征基本都与嫦娥五号玄武岩相近，而背面则更大多接近嫦娥六号的超低钛玄武岩。这表明月球正面和背面的月幔组成可能存在差异：正面月幔浅部含钛铁矿较多，而背面则相对较少。这一发现为理解月球的不对称演化提供了新线索。

文 | 记者 李钢 通讯员 孔令竹

图 | 广州地化所提供