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▲人類首次月背采樣位置

因為月球自轉與其繞地球公轉的周期相同，所以我們在地球上看不到月球背面。但繞月探測提供的高清圖像告訴我們，月球背面與正面存在顯著不同，這種現象被稱為月球的“二分性”。最直觀的區別就是月球背面暗色區塊少，即火山活動少。這是否就意味著月球背面的火山活動時限較短呢？

基于我國返回的人類首批月球背面樣品，中國科學院地質與地球物理研究所和中國科學院國家天文臺聯合揭示了月球背面早在42億年前就存在火山活動，并至少到28億年前仍有，為我們進一步揭開了月背火山活動之謎。

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稀少的月背火山活動

月球表面呈現出明顯的黑白分區，其中白色區域被稱為“高地”，是月球最早形成的月殼物質；黑色區域被稱為“月海”，是玄武質熔巖流冷卻后形成的廣闊平原。約93%的月海玄武巖集中分布在正面，背面僅占7%。

正面的月海火山活動可追溯至40億年前，并至少延續至20億年前。嫦娥五號樣品中的火山玻璃珠揭示了月球正面甚至在1.2億年前還存在小規模火山活動。

遙感研究發現，雖然正面和背面的火山噴發量差異巨大，但它們的年齡分布可能大致相似。

然而，由于缺乏來自月球背面月海區域的樣品，人類對月球背面火山活動的時間跨度及其源區特征的認識仍然非常有限。

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嫦娥六號樣品揭示

兩期月背火山活動

嫦娥六號任務首次完成了人類從月球背面采樣的壯舉，帶回1935.3克珍貴的月壤樣品。采樣點位于月球背面南極-艾特肯盆地內部的阿波羅撞擊坑邊緣，該區域月殼極薄，分布有大量的月海玄武巖物質，這為開展月背火山活動研究提供了絕佳機遇。

▲地質地球所獲批的兩份嫦娥六號月壤樣品

遙感工作顯示嫦娥六號采樣點周圍可能分布有多期次、多類型的玄武巖，因此，樣品中的玄武巖巖屑可能具有不同的來源和形成年齡，需要將每一顆巖屑當作獨立樣品對待，并通過大量測試來檢驗是否存在多期火山作用產物。

研究團隊基于離子探針實驗室自主研發的微區原位Pb同位素分析方法，對從5克嫦娥六號月壤中分選出來的108顆玄武巖巖屑進行了放射性同位素定年。

研究發現，其中的107顆巖屑極可能來源于同一個期次的玄武巖噴發。這些巖屑代表了嫦娥六號采樣點本地的火山作用產物，其噴發時代為2807±3百萬年前。

研究團隊還發現一顆獨特的高鋁玄武巖巖屑，精確限定其噴發時代為4203±4百萬年前。這顆古老的巖屑在分析樣品量中占比極低，是附近其他玄武巖單元濺射至嫦娥六號采樣點的外來物質。

兩者結合來看，月球背面火山活動噴發量雖然少，但持續時間至少有14億年，這與月球正面火山活動時間相當。

▲嫦娥六號樣品代表性玄武巖巖屑的顯微巖相學特征

03

巖漿源區特征

月海玄武巖是由月幔發生部分熔融產生的巖漿上升噴發至月表形成，因此是探索月球內部物質組成和熱演化的重要窗口。

克里普物質（KREEP，代表鉀[K]、稀土元素[REE]、磷[P]元素的英文縮寫），是月球形成早期巖漿洋結晶到最后的殘留物，富集放射性生熱元素，可以為月幔熔融提供放射性熱源。因此，克里普物質在月幔源區中的含量對于理解玄武質巖漿的產生機制非常重要。

克里普物質具有特殊的化學成分，它在巖漿源區中的貢獻程度可以被部分熔融形成的玄武巖記錄下來，因此科學家可以利用玄武巖樣品的地球化學特征來追溯月幔源區中克里普物質的含量。

▲嫦娥六號返回月壤樣品中記錄的兩期玄武質火山活動及其月幔源區性質示意圖

對此次玄武巖樣品進行地球化學特征研究后發現，28億年前玄武巖的月幔源區非常虧損克里普物質，而42億年前的月幔源區則富集克里普物質。這表明月背在經歷了形成南極-艾特肯盆地的大撞擊事件之后，在42億年前仍存在較富集克里普物質的月幔源區；而演化到28億年前已經非常虧損克里普物質的月幔源區仍可以產出巖漿活動。

這暗示月背較小規模的巖漿活動與虧損克里普物質并不直接相關。具有非常薄月殼的南極-艾特肯盆地存在較多的玄武巖火山活動，而月背其他地方玄武質火山活動分布較少的主要原因可能是由于月殼較厚。

作者： 張謙 李秋立；來源：中國科學院地質與地球物理研究所