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2月28日，由国家航天局组织，中国地质科学院地质研究所离子探针中心牵头组成的联合研究团队，发布了嫦娥六号月球背面样品的最新研究成果，相关论文在国际学术期刊《科学》上发表，该成果为人类研究月球起源与演化等重大科学问题提供了关键科学依据。
现在大家提到月亮，总会不自觉地与“凉”“水”“冷”联系在一起，如果时间回到 45 亿年前，“火热的月亮”很可能才是常态，而且之后相当长的时间里都是如此。
为什么这么说呢？月球的起源和演化到底是怎么回事？今天就来讲讲那些嫦娥六号和它带回家的月壤样品带回来的讯息。
月球是如何诞生的？
原来的主流科学理论认为：大约 45 亿年前，一颗跟火星差不多大的原始行星与形成未久的原始地球撞到了一起，喷溅出的物质在引力作用下迅速汇集，不到一年就形成了原始月球。相比于几十亿年的时光，这可真称得上“一眨眼功夫”，无数撞击碎片的引力势能转化成大量热能，被囚禁在月球小小的身躯中，只有通过表面辐射才能慢慢散到太空中去。因此，原始月球的温度非常高，表面都是熔融的岩浆洋。
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岩浆洋结晶分异与克里普岩的形成 · 图源Yizhengillustration
根据这个理论，随着岩浆洋逐渐冷却，它的矿物成分陆续结晶分离。其中，比较致密的矿物（如橄榄石、辉石等）沉入深处构成月幔，较轻的矿物（如斜长石）浮向表面形成月壳。还有一些元素受自身离子特性限制，很难进入造岩矿物晶体结构，于是在岩浆中一直耗着，最终不情不愿地凝结在早已成形的月幔和月壳的夹缝之间。
这些“不相容元素”以钾（K）、稀土元素（Rare Earth Elements, REE）和磷（P）为代表，连写就是 KREEP，汉译“克里普岩”。克里普岩中还富集铀、钍等放射性元素。而克里普岩，就是岩浆洋存在的重要证据，可以说月球上发现克里普岩的地方，就意味着存在过岩浆洋。
岩浆洋理论也受到了包括我国嫦娥五号月壤样品及多个其他国家的月球研究成果支持。支持证据很丰富，包括斜长石含量超过 90% 的月陆岩石样品，以及月壤中的克里普岩组分。
然而，这个理论还不够令人放心，因为之前采集的样品均来自月球正面，可是月球正面和背面不但外表“判若两月”，遥感分析也发现月球正面和背面的物质构成差异很大，尤其是富含克里普岩的区域集中在正面的风暴洋地块。那么问题来了：看来岩浆洋至少确实在月球正面存在过，但它是否曾遍及全月？月球的正面和背面为何有这么大差异？如果没有来自月球背面的样品，就好比拼图缺了一半。
而在对嫦娥六号采集的月球背面样品进行的一项新研究中，就找到了拼图另一半的关键几片。这项研究为月球在诞生后的早期阶段完全被熔融“岩浆洋”覆盖的假说提供了关键证据，可以推进对月球的起源和演化的理解。
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钍元素指示的克里普岩分布，左月球正面，右月球背面 · 图源 NASA
先总结一下，这次的一个主要成果，就是从月背带回来的月壤样品中发现了克里普岩，这证明了月球背面也存在过岩浆洋，下面就详细说说。
2024 年，嫦娥六号任务完成了人类的首次月球背面采样，它从南极-艾特肯盆地内的阿波罗盆地取回了 1935.3 克月壤样品。中国地质科学院地质研究所的团队申请到 2 克用于科学研究。这份样品的编号是 CE6C0010YJFM004，别看这么一大串像个密码，这个编号指的其实是嫦娥六号（CE6）铲取（C）的供研究（YJ）目的的粉末（FM），只要你会汉语拼音，理解起来就毫无困难……
研究团队从样品中中挑选出了 33 颗尺寸大于半毫米的玄武岩屑，分为 3 种典型结构，发现和正面玄武岩的化学性质相似，并可归类为低钛-低钾类型。
左滑查看更多，嫦娥六号样品中 3 种典型结构 · 来源地质研究所《科学》论文
团队使用高灵敏度、高分辨率二次离子质谱仪，系统地测定了玄武岩屑中的磷酸盐、锆矿物和钾长石的铀-铅同位素组成，限定了嫦娥六号样品中玄武岩的形成年龄为 28.23±0.06 亿年，为月球背面的晚期火山活动提供了关键年代学证据。
怎么测定岩石的形成年龄呢？一种常用方法就是用岩石自带的“计时器。”岩石中有 2 种放射性的铀同位素（质子数相同，中子数不同），其衰变最终结果是 2 种稳定的铅同位素，此外还有一种稳定的铅同位素，不是任何元素衰变的产物。当岩浆结晶成岩石时，就构成了一个封闭系统，这团岩浆原本具有的铀和铅随之定格。
随着岁月流逝，岩石里的 2 种铀会各自按照已知的衰变速度渐渐减少，2 种铅渐渐增加，还有一种铅不增不减。我们采集到月岩，使用离子质谱仪数数 3 种铅各有多少，就能倒推出它的结晶年代。
研究团队计算出嫦娥六号玄武岩源区（即岩石形成时所处的岩浆环境）的铀铅比相对较高（而铀、钍等元素易在克里普岩中富集），进而判断嫦娥六号克里普组分的加入量约为 3%-4%（因为含量比较低，所以以前的远距离观测难以测出）。这表明月球背面也存在克里普层，支持了岩浆洋曾遍布整个月球的假设。
低钛玄武岩形成年龄与μ值关系图 · 来源地质研究所成果快讯
这次新研究还揭示了月背玄武岩中铅的演化路径异于正面。从月球正面取得的样品来看，月岩越年轻，其源区的铀铅比越高，但嫦娥六号样品偏离了这一趋势。研究团队认为这一现象与形成南极-艾特肯盆地的巨型撞击事件有关。
前文说过，目前主流理论认为月球其实是 45 亿年前，被小行星从地球上“撞”出来的，2 亿年后，轮到月球自己了——嫦娥六号着陆的这个盆地，就是由 43 亿年前一次猛烈的小行星撞击形成。这次撞击在月面上留下了一片巨大的暗色“疤痕”，深达 13 公里，超过马里亚纳海沟，横跨 2500 公里，相当于从北京到三亚的距离，是太阳系内已知最古老、最大的撞击盆地。这场撞击很可能改变了早期月幔的物理和化学性质，使月球正面和背面走上了不同的演化道路。
研究月球背面样品的成果，对解答月球的二分性、全面了解月球的形成与演化历史具有重大意义。研究团队还希望找到来自月幔的物质，以便更深入地探究月球早期的历史。月球是陪伴地球几十亿年的“青梅竹马”，它的经历有助于了解地球自身——由于板块构造运动与风化侵蚀，地球很难保住早期的岩石记录。通过研究月球的地质演化，也可以推导类地行星的演化发展，对于行星科学研究具有重要意义。
嫦娥六号作为人类首次从月球背面采样返回的任务，使我国一举跃升深空探测领域的最前沿，并获得了揭示月球早期演化奥秘的独特科学资源，为重构地月系统形成机制提供了难以复制的关键证据。本文介绍的这项研究仅仅用掉了嫦娥六号带回月壤的千分之一，而分发给其他机构的样品更是装着无数秘密的盲盒。我们满怀信心地盼望全国乃至全球的科研团队成果斐然，捷报频传。
[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
作者丨曲炯 科普创作者
审核丨刘茜 北京天文馆研究员
策划丨丁崝
责编丨丁崝
审校丨徐来 林林
