来源：行星科学

月球岩浆活动分为侵入式和喷出式两类，其产物蕴藏着月球内部及热状态等丰富信息。由于月球的二分性，岩浆在月球正面和背面的活动并不对称。作为对以往月球返回样品的补充（美国阿波罗号、前苏联月球号和中国嫦娥五号等采集样品均来自月球正面），月球背面南极-艾肯盆地（South Pole-Aitken Basin）的样品一直被认为是解答月球二分性难题的关键，填补人类对月背知识的缺乏。尽管如此，这些样品从未被采集，直至我国的嫦娥六号任务。嫦娥六号着陆采样点（153.978°W，41.625°S）位于南极-艾肯盆地东北部的阿波罗盆地南部的月海玄武岩平原之上（图1）。该地区发育月海玄武岩平原、月溪、火山台地、火山穹丘、火山凹陷及底部断裂性撞击坑等广泛的内生构造，反映了该地区曾经历多样、持续的岩浆活动。

图1. 嫦娥六号着陆点位于月球背面南极-爱肯盆地东北部，阿波罗盆地南部的月海玄武岩单元区域。

喷出式岩浆作用

本研究基于表面形貌、物质组成等将阿波罗盆地内部玄武岩划分为中部、西北部、西部、南部和东南部等5个月海玄武岩单元。嫦娥六号最终着陆在了南部月海玄武岩之上，所采集的月壤样品主要来自于该单元。撞击坑统计定年显示，阿波罗盆地火山活动持续时间可追溯到距今约40.5亿年之前的酒海纪（隐月海），一直延续到约17.9亿年之前的爱拉托逊纪，持续时间与月球整体火山活动的时间相当（图2）。该地区的火山活动受到月壳厚度显著影响。在月壳厚度中等的地区，岩浆倾向于在撞击坑下部横向扩展形成岩席。在月壳厚度较薄的地区比如阿波罗盆地内部，岩浆倾向于直接喷发出月表，而在月壳厚度较厚的地区岩浆倾向于侵入月壳而不喷发（图3）。这一基本发现启示月球正面及背面火山活动的不对称性可能是因为月壳厚度差异造成的。这一观点可以通过返回的嫦娥六号样品进行验证，启示月球二分起源这一关键科学问题。

对嫦娥六号着陆的南部月海区域，团队发现至少存在两期火山喷发事件。较早的一期喷发于距今约33.4亿年前，由低钛玄武岩组成（3.2±0.5 wt%），覆盖了阿波罗盆地峰环与坑缘之间的整个区域。较晚的一期喷发于距今约30.7亿年前，其物质组成为高钛玄武岩（6.2±1.0 wt%），并覆盖在低钛玄武岩之上。我们发现这一较年轻的高钛玄武岩具有由西往东厚度减小的趋势，并且在查菲S撞击坑附近识别出集中的火山构造，高钛玄武岩与低钛玄武岩的边界则与皱脊（WR-3）的走向具有强相关性。因此，本研究提出嫦娥六号直接采样的高钛玄武岩喷发于查菲S撞击坑附近，向东流动覆盖低钛玄武岩，厚度逐渐减小，直至遇到原始皱脊而停止，在此之后，皱脊随月球冷却继续隆升（图2）。阿波罗盆地南部月海区域具有从低钛往高钛火山活动演化的趋势，与嫦娥五号任务着陆区相似。嫦娥六号样品研究可以帮助认识月海玄武岩源区演化是否在月球正面和背面具有相同的演化路径。此外，嫦娥六号采样点距离怀特-格里索姆隐月海不到100千米，比以往所有采样点都近，将有非常大的概率首次原位采集到隐月海物质，为认识月球古老火山作用（>40亿年）提供契机。

图2. 嫦娥六号着陆区发育丰富的喷出式岩浆作用产物。嫦娥六号直接采样的高钛玄武岩可能覆盖在低钛玄武岩之上，喷发自查菲S撞击坑附近。

侵入式岩浆作用

除此之外，本研究发现侵入式岩浆作用在南极-艾肯盆地区域分布广泛。它们以不同形式存在，包括底部断裂型撞击坑下部横向扩展形成的岩席、显示重力异常的线性和环状岩墙，以及具有明显光谱特征的镁质岩套等（图3）。这一观察，与盆地内中等厚度的月壳，较倾向于受岩浆侵入的机制相吻合。在此地区进行采样，嫦娥六号任务极有可能采集到该地区经撞击挖掘并飞溅至采样点的深成岩（侵入岩），并可通过样品分析作出验证。本次研究首次发现了两个退化严重且发育不充分的底部断裂型撞击坑并将其命名为阿波罗X和阿波罗Q撞击坑，为在月球表面识别相类似的结构提供启示，同时证明侵入式岩浆作用在嫦娥六号着陆区的普遍性。

本研究进一步对嫦娥六号采样点的潜在侵入岩进行了溯源，认为嫦娥六号样品中极有可能包含镁质岩套物质，这些物质最初由阿波罗撞击事件从深部（<50千米）挖掘出月表，暴露于盆地西部峰环区域，并经查菲S撞击坑再次抛射而来，在嫦娥六号采样点的厚度约为15厘米。嫦娥六号表取样品代表了查菲S撞击坑溅射物与原位玄武岩的混合物质，钻取样品则含有更多原位玄武岩物质。对这类贫克里普、富镁岩套样品的识别、研究将能深入帮助认识镁质岩套侵位深度、机制，克里普元素在镁质岩套起源中的作用等关键问题，启示月球二次月壳的形成过程。

图3.嫦娥六号着陆区发育丰富的侵入式岩浆作用产物。嫦娥六号可能直接采集到来自于查菲S撞击坑溅射而来的镁质岩套物质和来自月球南极-爱肯盆地的侵入岩。

综上所述，嫦娥六号着陆区经历了多样而持续的岩浆活动，有助于深入认识月球早期演化和热历史，补充对月球背面认识的缺乏。

上述成果发表于自然指数期刊Earth and Planetary Science Letters和The Astrophysical Journal Letters，第一及通讯作者为香港大学钱煜奇博士（赵国春院士团队），得到香港研究资助局Research Impact Fund (R5043-19)、General Research Fund (17306623)和Research Fellow Scheme (RFS2324-7S02)项目支持和赵国春、李献华院士指导。感谢国家航天局探月与航天工程中心等实施嫦娥六号任务。

参考文献

Qian, Y., Head, J., Michalski, J., Wang, X., van der Bogert, C.H., Hiesinger, H., Sun, L., Yang, W., Xiao, L., Li, X., Zhao, G., 2024. Long-lasting farside volcanism in the Apollo basin: Chang’e-6 landing site. Earth and Planetary Science Letters 637, 118737. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118737

Qian, Y., Head, J., Michalski, J., Gong, S., Yang, W., Wang, Z., Xiao, L., Li, X., Zhao, G., 2024. Extensive Intrusive Magmatism in the Lunar Farside Apollo and South Pole–Aitken Basins, Chang’e-6 Landing Site. The Astrophysical Journal Letters 971, L39. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad698f

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/Zf1-bSeGLMJuZiiOHKPbPA