月球正反面為何大不同？月球演化都有哪些關(guān)鍵謎題？國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》日前正式發(fā)表了中國(guó)嫦娥六號(hào)月球背面采樣任務(wù)的又一重大科學(xué)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(guān)鍵信息。
該成果由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所共同完成。科研團(tuán)隊(duì)對(duì)嫦娥六號(hào)從月球背面南極-艾特肯盆地帶回的玄武巖樣品進(jìn)行了深入分析，揭示了月球背面月幔深部物質(zhì)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(duì)平坦，有廣闊的玄武巖平原；背面則高地遍布，月海稀少。科學(xué)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(jié)晶不均勻、月幔內(nèi)部物質(zhì)對(duì)流不對(duì)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(wù)都只在月球正面進(jìn)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(hào)任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面采樣返回，從南極-艾特肯盆地內(nèi)月海區(qū)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(zhì)打開了一扇前所未有的窗口。
嫦娥六號(hào)玄武巖樣品揭示月幔“超虧損”特征
“盡管我們對(duì)月球的認(rèn)識(shí)不斷更新，但仍有很多問題有待解答。”中國(guó)科學(xué)院院士吳福元介紹，通過嫦娥六號(hào)帶回的月背樣品，我國(guó)科學(xué)家首先在樣品中發(fā)現(xiàn)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(jù)此確定了月球南極-艾特肯盆地的形成時(shí)間為42.5億年前；然后還發(fā)現(xiàn)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(duì)月球的了解向前邁了一大步。
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)嫦娥六號(hào)返回樣品中距今約28億年的玄武巖屑進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括觀察巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分和同位素分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，形成這些玄武巖的“初始原料”，即被稱為月幔源區(qū)的月球內(nèi)部物質(zhì)，其狀態(tài)極其“貧瘠”，科學(xué)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(guó)科研人員制作的月球背面影像圖。新華社發(fā)（中國(guó)科學(xué)院供圖）
兩種模型解釋“超虧損”成因，指向月球演化關(guān)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(tuán)隊(duì)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(rèn)為，月球在形成初期是一個(gè)巨大的巖漿洋。巖漿洋在冷卻結(jié)晶時(shí)，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(gè)過程中，不容易進(jìn)入早期結(jié)晶礦物的“不相容”元素被帶走了，留在深部的殘余物質(zhì)本身就非常“貧瘠”。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果這一模型成立，意味著嫦娥六號(hào)玄武巖可能來自這種深部、未受后期事件顯著擾動(dòng)的、由巖漿洋直接結(jié)晶形成的超虧損月幔，這種超虧損狀態(tài)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(rèn)為，形成南極-艾特肯盆地的巨型撞擊事件引發(fā)的后期強(qiáng)烈火山活動(dòng)，可以影響并改造相對(duì)較淺的月幔區(qū)域，相當(dāng)于做了一次“大抽血”——大量巖漿（熔體）被抽取出來并噴發(fā)到表面或侵入到月殼中。被抽走巖漿后剩下的月幔物質(zhì)，其“不相容”元素幾乎被榨干了，變得極度“貧瘠”，形成了現(xiàn)在的超虧損狀態(tài)。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果該模型成立，表明月球背面南極-艾特肯盆地形成時(shí)的巨型撞擊事件不僅重新塑造了月球的表面形態(tài)，還深刻影響了月球內(nèi)部的物質(zhì)組成，這為理解太陽系內(nèi)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(hào)玄武巖源區(qū)是月球最初形成的‘先天狀態(tài)’還是后期巨型撞擊作用的‘改造結(jié)果’，南極-艾特肯盆地下方發(fā)現(xiàn)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(zhì)特性的關(guān)鍵證據(jù)，這為我們了解月球早期內(nèi)部如何分層、冷卻和演化提供了獨(dú)一無二的信息。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員李春來說。（記者胡喆、劉禎）
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