揭秘“月之暗面” | 科技前线

 

▲人类首次月背采样位置

 

因为月球自转与其绕地球公转的周期相同，所以我们在地球上看不到月球背面。但绕月探测提供的高清图像告诉我们，月球背面与正面存在显著不同，这种现象被称为月球的“二分性”。最直观的区别就是月球背面暗色区块少，即火山活动少。这是否就意味着月球背面的火山活动时限较短呢？

 

基于我国返回的人类首批月球背面样品，中国科学院地质与地球物理研究所和中国科学院国家天文台联合揭示了月球背面早在42亿年前就存在火山活动，并至少到28亿年前仍有，为我们进一步揭开了月背火山活动之谜。

 

01

稀少的月背火山活动

 

月球表面呈现出明显的黑白分区，其中白色区域被称为“高地”，是月球最早形成的月壳物质；黑色区域被称为“月海”，是玄武质熔岩流冷却后形成的广阔平原。约93%的月海玄武岩集中分布在正面，背面仅占7%。

 

正面的月海火山活动可追溯至40亿年前，并至少延续至20亿年前。嫦娥五号样品中的火山玻璃珠揭示了月球正面甚至在1.2亿年前还存在小规模火山活动。

 

遥感研究发现，虽然正面和背面的火山喷发量差异巨大，但它们的年龄分布可能大致相似。

 

然而，由于缺乏来自月球背面月海区域的样品，人类对月球背面火山活动的时间跨度及其源区特征的认识仍然非常有限。

 

02

嫦娥六号样品揭示

两期月背火山活动

 

嫦娥六号任务首次完成了人类从月球背面采样的壮举，带回1935.3克珍贵的月壤样品。采样点位于月球背面南极-艾特肯盆地内部的阿波罗撞击坑边缘，该区域月壳极薄，分布有大量的月海玄武岩物质，这为开展月背火山活动研究提供了绝佳机遇。

 

 

▲地质地球所获批的两份嫦娥六号月壤样品

 

遥感工作显示嫦娥六号采样点周围可能分布有多期次、多类型的玄武岩，因此，样品中的玄武岩岩屑可能具有不同的来源和形成年龄，需要将每一颗岩屑当作独立样品对待，并通过大量测试来检验是否存在多期火山作用产物。

 

研究团队基于离子探针实验室自主研发的微区原位Pb同位素分析方法，对从5克嫦娥六号月壤中分选出来的108颗玄武岩岩屑进行了放射性同位素定年。

 

研究发现，其中的107颗岩屑极可能来源于同一个期次的玄武岩喷发。这些岩屑代表了嫦娥六号采样点本地的火山作用产物，其喷发时代为2807±3百万年前。

 

研究团队还发现一颗独特的高铝玄武岩岩屑，精确限定其喷发时代为4203±4百万年前。这颗古老的岩屑在分析样品量中占比极低，是附近其他玄武岩单元溅射至嫦娥六号采样点的外来物质。

 

两者结合来看，月球背面火山活动喷发量虽然少，但持续时间至少有14亿年，这与月球正面火山活动时间相当。

 

 

▲嫦娥六号样品代表性玄武岩岩屑的显微岩相学特征

 

03

岩浆源区特征

 

月海玄武岩是由月幔发生部分熔融产生的岩浆上升喷发至月表形成，因此是探索月球内部物质组成和热演化的重要窗口。

 

克里普物质（KREEP，代表钾[K]、稀土元素[REE]、磷[P]元素的英文缩写），是月球形成早期岩浆洋结晶到最后的残留物，富集放射性生热元素，可以为月幔熔融提供放射性热源。因此，克里普物质在月幔源区中的含量对于理解玄武质岩浆的产生机制非常重要。

 

克里普物质具有特殊的化学成分，它在岩浆源区中的贡献程度可以被部分熔融形成的玄武岩记录下来，因此科学家可以利用玄武岩样品的地球化学特征来追溯月幔源区中克里普物质的含量。

 

 

▲嫦娥六号返回月壤样品中记录的两期玄武质火山活动及其月幔源区性质示意图

 

对此次玄武岩样品进行地球化学特征研究后发现，28亿年前玄武岩的月幔源区非常亏损克里普物质，而42亿年前的月幔源区则富集克里普物质。这表明月背在经历了形成南极-艾特肯盆地的大撞击事件之后，在42亿年前仍存在较富集克里普物质的月幔源区；而演化到28亿年前已经非常亏损克里普物质的月幔源区仍可以产出岩浆活动。

 

这暗示月背较小规模的岩浆活动与亏损克里普物质并不直接相关。具有非常薄月壳的南极-艾特肯盆地存在较多的玄武岩火山活动，而月背其他地方玄武质火山活动分布较少的主要原因可能是由于月壳较厚。

 

作者： 张谦 李秋立；来源：中国科学院地质与地球物理研究所