中新網(wǎng)北京7月10日電 (記者 孫自法)中國科學(xué)家對嫦娥六號采自月球背面南極-艾特肯盆地(SPA)的28億年前的玄武巖樣品進(jìn)行研究，最新又取得一項重大科學(xué)成果——揭示月球背面月幔物質(zhì)的“超虧損”(通俗而言即異常“貧瘠”)特征，并提出其成因的兩種可能模型，從而為全面了解月球早期的殼-幔演化歷史提供了關(guān)鍵信息。
這項破解月球內(nèi)部異常“貧瘠”之謎的成果論文，由中國科學(xué)院國家天文臺聯(lián)合中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國地質(zhì)大學(xué)(北京)、北京高壓科學(xué)研究中心、東華理工大學(xué)等多家科研院校的研究團(tuán)隊共同完成，并同嫦娥六號月背樣品的另三項科研成果一起，于北京時間7月9日夜間以封面文章形式在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。
“一扇窗口”
研究團(tuán)隊介紹說，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(xué)家提出了很多理論來解釋月球的這種“二分性”特征，包括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(wù)都只在月球正面進(jìn)行，月球背面樣本的缺失使得背面深部月幔特征一直是未解之謎。
本項研究的南極-艾特肯(SPA)撞擊對深部月幔的影響及隨后嫦娥六號玄武巖的形成模型。中國科學(xué)院國家天文臺 供圖2024年6月，中國嫦娥六號任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面采樣，從南極-艾特肯盆地內(nèi)月海區(qū)域帶回珍貴的月球背面樣本，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”。
研究團(tuán)隊對嫦娥六號采回樣品中28億年前的玄武巖屑進(jìn)行詳細(xì)和深入研究，包括觀察巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分和特殊的同位素“化學(xué)指紋”分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，形成這些玄武巖的“初始原料”即月球內(nèi)部的深部物質(zhì)(稱為月幔源區(qū))，其狀態(tài)極其“貧瘠”，專業(yè)上稱為“超虧損”，這意味著它非常缺乏那些容易熔融、隨巖漿上涌的元素(即不相容元素)。
兩種模型
為了解釋這種極端的“超虧損”特性是如何形成的，研究團(tuán)隊提出“先天貧瘠”和“后天改造”兩種可能的模型。
本項研究的月球玄武巖的月幔源區(qū)相關(guān)同位素演化模型。中國科學(xué)院國家天文臺供圖“先天貧瘠”模型認(rèn)為，在月球形成初期，整個月球是一個巨大的巖漿海洋。這個巖漿海洋在冷卻結(jié)晶時，重的礦物(如橄欖石、輝石)沉到底部，形成下月幔；輕的礦物(如長石)浮到頂部形成月殼。在這個過程中，不容易進(jìn)入早期結(jié)晶礦物的元素被帶走了(不相容元素)，留下深部的殘余物質(zhì)本身就非常“貧瘠”(虧損不相容元素)。這些深部的殘余物質(zhì)，只需要小比例的部分熔融(1%-1.5%)和較高的分離結(jié)晶作用(66%-75%)，就可以形成嫦娥六號玄武巖漿。
“后天改造”模型認(rèn)為，月球背面經(jīng)歷了巨大的南極-艾特肯盆地撞擊事件，后期強(qiáng)烈的火山活動影響并改造了相對淺部的月幔區(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)到表面或侵入到月球地殼中。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，變得極度“貧瘠”，形成“超虧損”狀態(tài)。這種被改造過的月幔，只需要經(jīng)過更小比例的部分熔融(0.7%-1.0%)和更低程度的分離結(jié)晶作用(低于40%)，就可以形成嫦娥六號玄武巖漿。
關(guān)鍵一步
研究團(tuán)隊表示，如果“先天貧瘠”模型成立，意味著嫦娥六號玄武巖可能就來自這種深部、未受后期事件顯著擾動的、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”的。月球正背面深部的月幔物質(zhì)，在最初的巖漿洋形成時可能是相似的、對稱的。人們目前看到的月球正背面的顯著差異，可能只是后期月質(zhì)作用改造結(jié)果的“表面現(xiàn)象”。
如果“后天改造”模型成立，表明南極-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(tài)，還深刻影響月球內(nèi)部的物質(zhì)組成，造成揮發(fā)性元素丟失以及同位素分餾。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——巨型撞擊作用不僅僅能重新塑造其表面形貌，也可能時行星內(nèi)部物質(zhì)演化的重要推手。
他們強(qiáng)調(diào)，無論嫦娥六號玄武巖源區(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”，其南極-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)，為人們了解月球早期內(nèi)部如何分層、冷卻和演化提供了獨(dú)一無二的信息，從而成為揭開月球正背面巨大差異之謎的關(guān)鍵一步。(完)
（原標(biāo)題 嫦娥六號玄武巖樣品最新研究：破解月球內(nèi)部異常“貧瘠”之謎）
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