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北京7月10日电 (记者 孙自法)中国科学家对嫦娥六号采自月球背面南极-艾特肯盆地(SPA)的28亿年前的玄武岩样品进行研究，最新又取得一项重大科学成果——揭示月球背面月幔物质的“超亏损”(通俗而言即异常“贫瘠”)特征，并提出其成因的两种可能模型，从而为全面了解月球早期的壳-幔演化历史提供了关键信息。
这项破解月球内部异常“贫瘠”之谜的成果论文，由中国科学院国家天文台联合中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质大学(北京)、北京高压科学研究中心、东华理工大学等多家科研院校的研究团队共同完成，并同嫦娥六号月背样品的另三项科研成果一起，于北京时间7月9日夜间以封面文章形式在国际知名学术期刊《自然》上线发表。
“一扇窗口”
研究团队介绍说，月球的正面和背面差异巨大，正面相对平坦，有广阔的玄武岩平原；背面则高地遍布，月海稀少。科学家提出了很多理论来解释月球的这种“二分性”特征，包括月球形成早期岩浆洋冷却结晶不均匀、月幔内部物质对流不对称、正背面巨型撞击作用的差异等。然而，过去所有的月球采样任务都只在月球正面进行，月球背面样本的缺失使得背面深部月幔特征一直是未解之谜。
本项研究的南极-艾特肯(SPA)撞击对深部月幔的影响及随后嫦娥六号玄武岩的形成模型。中国科学院国家天文台 供图2024年6月，中国嫦娥六号任务成功实现人类首次月球背面采样，从南极-艾特肯盆地内月海区域带回珍贵的月球背面样本，这为研究月球背面的深部月幔物质“打开了一扇前所未有的窗口”。
研究团队对嫦娥六号采回样品中28亿年前的玄武岩屑进行详细和深入研究，包括观察岩石结构、矿物成分和特殊的同位素“化学指纹”分析。结果发现，形成这些玄武岩的“初始原料”即月球内部的深部物质(称为月幔源区)，其状态极其“贫瘠”，专业上称为“超亏损”，这意味着它非常缺乏那些容易熔融、随岩浆上涌的元素(即不相容元素)。
两种模型
为了解释这种极端的“超亏损”特性是如何形成的，研究团队提出“先天贫瘠”和“后天改造”两种可能的模型。
本项研究的月球玄武岩的月幔源区相关同位素演化模型。中国科学院国家天文台 供图“先天贫瘠”模型认为，在月球形成初期，整个月球是一个巨大的岩浆海洋。这个岩浆海洋在冷却结晶时，重的矿物(如橄榄石、辉石)沉到底部，形成下月幔；轻的矿物(如长石)浮到顶部形成月壳。在这个过程中，不容易进入早期结晶矿物的元素被带走了(不相容元素)，留下深部的残余物质本身就非常“贫瘠”(亏损不相容元素)。这些深部的残余物质，只需要小比例的部分熔融(1%-1.5%)和较高的分离结晶作用(66%-75%)，就可以形成嫦娥六号玄武岩浆。
“后天改造”模型认为，月球背面经历了巨大的南极-艾特肯盆地撞击事件，后期强烈的火山活动影响并改造了相对浅部的月幔区域，相当于做了一次“大抽血”——大量岩浆(熔体)被抽取出来并喷发到表面或侵入到月球地壳中。被抽走岩浆后剩下的月幔物质，其不相容元素几乎被榨干，变得极度“贫瘠”，形成“超亏损”状态。这种被改造过的月幔，只需要经过更小比例的部分熔融(0.7%-1.0%)和更低程度的分离结晶作用(低于40%)，就可以形成嫦娥六号玄武岩浆。
关键一步
研究团队表示，如果“先天贫瘠”模型成立，意味着嫦娥六号玄武岩可能就来自这种深部、未受后期事件显著扰动的、由岩浆洋直接结晶形成的“超亏损”月幔。这种“超亏损”状态是月球形成初期就“天生”的。月球正背面深部的月幔物质，在最初的岩浆洋形成时可能是相似的、对称的。人们目前看到的月球正背面的显著差异，可能只是后期月质作用改造结果的“表面现象”。
如果“后天改造”模型成立，表明南极-艾特肯盆地形成时的巨型撞击事件，不仅重新塑造了月球的表面形态，还深刻影响月球内部的物质组成，造成挥发性元素丢失以及同位素分馏。这为理解太阳系内其他类地天体的早期壳-幔分异演化提供了新的思路——巨型撞击作用不仅仅能重新塑造其表面形貌，也可能时行星内部物质演化的重要推手。
中国科学院国家天文台李春来研究员解读本项研究成果时介绍嫦娥六号任务飞行过程。记者 孙自法 摄他们强调，无论嫦娥六号玄武岩源区是月球最初形成的“先天状态”，还是后期巨型撞击作用的“改造结果”，其南极-艾特肯盆地下方发现的这种“超亏损”月幔，都是人类首次直接获取月球背面深部物质特性的关键证据，为人们了解月球早期内部如何分层、冷却和演化提供了独一无二的信息，从而成为揭开月球正背面巨大差异之谜的关键一步。(完)
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