張謙等–Nature：嫦娥六號月球樣品揭示月背28億年前的巖漿活動

在探索月球的浩瀚征程中，人類曾通過6次Apollo任務(wù)、3次Luna任務(wù)和1次嫦娥五號任務(wù)，從月球表面共帶回了380余公斤樣品。然而，以上樣品全部來自月球正面。中國的嫦娥六號任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)了從月球背面采樣，成功帶回了1935.3克珍貴樣品，為人類研究月球背面物質(zhì)特性、巖漿活動、撞擊通量、月球二分性成因等提供了關(guān)鍵研究素材。

月球正面與背面的不對稱性成因（涵蓋了玄武巖分布、地形特征、月殼厚度以及Th含量等方面）一直是一個長期未解的科學(xué)難題。月海玄武巖和隱月海玄武巖覆蓋了約18%的月球表面，其中約93%的玄武巖集中分布在正面，背面僅分布7%。Apollo、Luna以及嫦娥五號任務(wù)帶回的月球玄武巖樣品表明，正面月海火山活動最早可追溯至40億年前，且至少延續(xù)至20億年前。此外，嫦娥五號樣品中的火山玻璃珠揭示月球正面還存在持續(xù)至約1.2億年前的小規(guī)模火山活動。月球背面是否經(jīng)歷了類似的長期火山活動仍不清楚。基于遙感觀測的撞擊坑統(tǒng)計年代學(xué)研究表明，正面和背面的火山活動年代模式可能大致相似。然而，由于缺乏來自月球背面月海區(qū)域的返回樣品，至今尚無法進(jìn)行可靠的比較，這阻礙了人們對于月球不對稱性成因的理解。

2024年6月2日清晨，嫦娥六號成功著陸在

月球背面南極-艾特肯盆地預(yù)選著陸區(qū)

嫦娥六號采樣點(diǎn)位于月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)部阿波羅撞擊坑邊緣，該區(qū)域月殼極薄，遙感觀測顯示該地區(qū)分布有大量的月海玄武巖物質(zhì)。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所獲批兩份月壤樣品（編號為CE6C0100YJFM002，CE6C0200YJFM001）開展研究工作（注：CE6 = 嫦娥六號；C = 鏟取樣；YJFM = 研究粉末）。地質(zhì)地球所以及國家天文臺的聯(lián)合科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，基于離子探針實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的微區(qū)原位年代學(xué)分析方法，對嫦娥六號月壤樣品中的玄武巖巖屑進(jìn)行了精確定年。所采用的方法為Pb-Pb等時線法，提取分析數(shù)據(jù)中204Pb/206Pb比值為橫坐標(biāo)、207Pb/206Pb比值為縱坐標(biāo)進(jìn)行擬合，獲得204Pb（非放射成因Pb的代表）為0的y軸截距即放射成因207Pb/206Pb比值，可計算年齡；在U為0（即不含放射成因Pb）的測點(diǎn)上可以獲得玄武巖初始Pb同位素組成，用于計算玄武巖源區(qū)的238U/204Pb比值，即μ值，可指示玄武巖月幔源區(qū)性質(zhì)。

研究人員通過大量制作巖屑樹脂靶，并在掃描電鏡下進(jìn)行精細(xì)觀察，根據(jù)結(jié)構(gòu)將玄武巖分為三種類型，即斑狀結(jié)構(gòu)、次輝綠結(jié)構(gòu)和嵌晶結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 嫦娥六號樣品代表性玄武巖巖屑的顯微巖相學(xué)特征。（a）斑狀結(jié)構(gòu)巖屑，可見斜長石和單斜輝石斑晶產(chǎn)于細(xì)粒基質(zhì)中，該類巖屑中沒有發(fā)現(xiàn)含鋯礦物；（b）次輝綠結(jié)構(gòu)巖屑，可見斜鋯石（Bdy）和磷灰石（Ap）作為粒間礦物或包裹體礦物與富鐵橄欖石（Ol）、隕硫鐵（Tro）和單斜輝石（Cpx）等共生；（c）嵌晶結(jié)構(gòu)巖屑，自形的斜鋯石與磷灰石、斜長石產(chǎn)于單斜輝石中；（d）嵌晶結(jié)構(gòu)巖屑，可見高鋁玄武巖（4.2 Ga）中的斜鋯石、靜海石（Trq）、磷灰石和鈦鐵礦（Ilm）呈交生狀產(chǎn)出。SIMS pit為離子探針直徑~3微米束斑分析后的殘留痕跡。（所有108顆定年玄武巖巖屑BSE圖像可參見文章的Supplementary Fig. 1）

本次研究共選取了108顆玄武巖巖屑開展Pb-Pb定年工作。對每一種結(jié)構(gòu)的巖屑進(jìn)行SIMS分析，分別構(gòu)建Pb-Pb等時線。其中107顆（包括9顆斑狀、45顆次輝綠和53顆嵌晶結(jié)構(gòu)）玄武巖巖屑獲得了誤差范圍內(nèi)一致的Pb-Pb年齡，且等時線斜率也一致，指示這些巖屑極可能來源于同一個期次的玄武巖噴發(fā)。綜合所分析的107顆巖屑數(shù)據(jù)（圖2a），最重要的是其中的78顆含鋯礦物，即斜鋯石、鈣鈦鋯石和靜海石（這類礦物具有高U含量和非常低的初始Pb含量），精確限定了這一期玄武巖噴發(fā)時代為2807 ± 3 Ma（圖2b）。

圖2 嫦娥六號月球樣品中107顆2.8 Ga玄武巖巖屑的Pb-Pb等時線。（a）共計180個多礦物測點(diǎn)擬合的Pb-Pb等時線；（b）上圖等時線靠近y軸交點(diǎn)處放大圖，突出顯示含鋯礦物測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

通過對硅酸鹽礦物（斜長石和單斜輝石）和隕硫鐵開展的180個U-Pb同位素測點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)3顆隕硫鐵具有低于0.001的U/Pb比值，限定了初始Pb同位素組成為207Pb/206Pb = 1.085 ± 0.003，204Pb/206Pb = 0.00550 ± 0.00014。根據(jù)初始Pb同位素計算出2.8 Ga玄武巖源區(qū)的μ值為360 ± 10。此外，還發(fā)現(xiàn)一顆具有嵌晶結(jié)構(gòu)的高鋁玄武巖巖屑（圖1d），對其中的斜鋯石、靜海石和硅酸鹽礦物開展Pb-Pb定年，精確限定其噴發(fā)時代為4203 ± 4 Ma（圖3），并根據(jù)等時線斜率計算出其源區(qū)的μ值為1620 ± 160。

圖3 嫦娥六號月球樣品中4.2 Ga高鋁玄武巖巖屑的Pb-Pb等時線（圖例見圖2）。

以上研究揭示嫦娥六號采樣點(diǎn)的主期（本地）玄武巖形成于2807 ± 3 Ma，標(biāo)志著月背巖漿活動至少持續(xù)到了28億年以前，這一年齡也填補(bǔ)了月球正面玄武巖樣品在該時期的記錄空白。其月幔源區(qū)μ值低至~360，低于絕大部分正面玄武巖樣品和月球玄武巖隕石的源區(qū)μ值（圖4），指示來自于非常虧損的月幔源區(qū)，且?guī)r漿上升過程中也沒有混染KREEP組分。42億年前高鋁玄武巖源區(qū)的μ值高達(dá)~1620，指示其可能來源于富集KREEP的月幔源區(qū)。雖然這一顆高鋁玄武巖在分析樣品量中占比極低，可能是由其它玄武巖單元濺射至嫦娥六號采樣點(diǎn)的外來物質(zhì)，但也指示了采樣區(qū)附近巖漿活動的多樣性及背面月幔源區(qū)的復(fù)雜性。

圖4 返回月球玄武巖樣品與部分月球玄武巖隕石的年齡和月幔源區(qū)μ值分布。嫦娥六號采樣點(diǎn)主期2.8 Ga玄武巖的源區(qū)μ值低于大多數(shù)返回樣品和隕石樣品，指示虧損KREEP；4.2 Ga高鋁玄武巖μ值則較高，指示富集KREEP。

本次研究發(fā)現(xiàn)的兩期玄武巖綜合指示月背的火山活動至少持續(xù)了14億年，且揭示出月背在經(jīng)歷了南極-艾特肯盆地形成之后仍存在較富集KREEP物質(zhì)的月幔源區(qū)，而在28億年前已經(jīng)非常虧損的月幔源區(qū)仍可以產(chǎn)出巖漿活動，暗示月背較少的巖漿活動與較少的KREEP物質(zhì)并不直接相關(guān)，可能較大的月球厚度是導(dǎo)致較少玄武巖巖漿活動的更主要原因。

本次研究獲得的嫦娥六號本地玄武巖年齡（2.8 Ga）與此前通過撞擊坑統(tǒng)計定年法得到的采樣區(qū)模式年齡（3.07–2.40 Ga）比較一致（圖5），表明為月球正面建立的隕石坑統(tǒng)計年代學(xué)模型也適用于月球背面。且2.8 Ga玄武巖的精確放射性同位素年齡可用于進(jìn)一步完善當(dāng)前的隕石坑統(tǒng)計年代學(xué)函數(shù)，為它提供關(guān)鍵錨點(diǎn)，彌補(bǔ)定年曲線在該時段的空白。

圖5 嫦娥六號采樣點(diǎn)本地2.8 Ga玄武巖放射性同位素年齡與前人撞擊坑統(tǒng)計定年結(jié)果對比。

該項(xiàng)研究成果于2024年11月15日在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature（張謙，楊慕涵，李秋立*，劉宇，岳宗玉，周琴，陳瀏陽，馬紅霞，楊賽紅，唐旭，張廣良，任鑫，李獻(xiàn)華. Lunar farside volcanism 2.8 billion years ago from Chang’e-6 basalts [J].Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08382-0）

該成果受國家自然科學(xué)基金（42225301, 42241105）、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目（XDB0710000，XDB1180000）、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-202401）共同資助。

美編：陳永焱

校對：劉強(qiáng)