月球正反面為何大不同？月球演化都有哪些關鍵謎題？國際學術期刊《自然》日前正式發表了中國嫦娥六號月球背面采樣任務的又一重大科學成果。該成果為全面了解月球早期的殼-幔演化歷史提供了關鍵信息。
該成果由中國科學院國家天文臺和中國科學院地質與地球物理研究所共同完成。科研團隊對嫦娥六號從月球背面南極-艾特肯盆地帶回的玄武巖樣品進行了深入分析，揭示了月球背面月幔深部物質的“超虧損”特征，并提出了其成因的兩種可能模型，有望揭開月球正背面巨大差異之謎。
月球正反面為何大不同？背面樣本是解謎鑰匙
月球的正面和背面差異巨大，正面相對平坦，有廣闊的玄武巖平原；背面則高地遍布，月海稀少。科學家提出了很多理論來解釋這種“二分性”，比如月球形成早期巖漿洋冷卻結晶不均勻、月幔內部物質對流不對稱、正背面巨型撞擊作用的差異等。然而，過去所有的月球采樣任務都只在月球正面進行，月球背面樣品的缺乏，使得月球背面深部月幔特征一直是未解之謎。
2024年6月25日，嫦娥六號任務成功實現人類首次月球背面采樣返回，從南極-艾特肯盆地內月海區域帶回了珍貴的月球背面樣品。這為研究月球背面的深部月幔物質打開了一扇前所未有的窗口。
嫦娥六號玄武巖樣品揭示月幔“超虧損”特征
“盡管我們對月球的認識不斷更新，但仍有很多問題有待解答。”中國科學院院士吳福元介紹，通過嫦娥六號帶回的月背樣品，我國科學家首先在樣品中發現了月球上一種新類型的巖石——月球南極-艾特肯撞擊熔巖，并據此確定了月球南極-艾特肯盆地的形成時間為42.5億年前；然后還發現這種大型撞擊事件可能造成月幔“超干、超虧損、超還原”等系列特征，使人類對月球的了解向前邁了一大步。
研究團隊對嫦娥六號返回樣品中距今約28億年的玄武巖屑進行了詳細分析，包括觀察巖石結構、礦物成分和同位素分析。結果發現，形成這些玄武巖的“初始原料”，即被稱為月幔源區的月球內部物質，其狀態極其“貧瘠”，科學上稱為“超虧損”。這意味著它非常缺乏那些容易熔融、隨巖漿上涌的“不相容”元素。
我國科研人員制作的月球背面影像圖。新華社發（中國科學院供圖）
兩種模型解釋“超虧損”成因，指向月球演化關鍵謎題
為了解釋這種極端的“超虧損”特性是如何形成的，研究團隊提出了兩種可能的模型：
一是“先天貧瘠”。月球形成的主要假說認為，月球在形成初期是一個巨大的巖漿洋。巖漿洋在冷卻結晶時，重的礦物沉到底部，形成下月幔；輕的礦物浮到頂部，形成月殼。在這個過程中，不容易進入早期結晶礦物的“不相容”元素被帶走了，留在深部的殘余物質本身就非常“貧瘠”。
研究團隊認為，如果這一模型成立，意味著嫦娥六號玄武巖可能來自這種深部、未受后期事件顯著擾動的、由巖漿洋直接結晶形成的超虧損月幔，這種超虧損狀態是月球形成初期就“天生”具有的特征。
二是“后天改造”。這一模型認為，形成南極-艾特肯盆地的巨型撞擊事件引發的后期強烈火山活動，可以影響并改造相對較淺的月幔區域，相當于做了一次“大抽血”——大量巖漿（熔體）被抽取出來并噴發到表面或侵入到月殼中。被抽走巖漿后剩下的月幔物質，其“不相容”元素幾乎被榨干了，變得極度“貧瘠”，形成了現在的超虧損狀態。
研究團隊認為，如果該模型成立，表明月球背面南極-艾特肯盆地形成時的巨型撞擊事件不僅重新塑造了月球的表面形態，還深刻影響了月球內部的物質組成，這為理解太陽系內其他類地天體的早期殼-幔分異演化提供了新的思路。
“無論嫦娥六號玄武巖源區是月球最初形成的‘先天狀態’還是后期巨型撞擊作用的‘改造結果’，南極-艾特肯盆地下方發現的這種‘超虧損’月幔，都是人類首次直接獲取月球背面深部物質特性的關鍵證據，這為我們了解月球早期內部如何分層、冷卻和演化提供了獨一無二的信息。”中國科學院國家天文臺研究員李春來說。（記者胡喆、劉禎）
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