張謙等–Nature：嫦娥六號月球樣品揭示月背28億年前的岩漿活動

在探索月球的浩瀚征程中，人類曾通過6次Apollo任務、3次Luna任務和1次嫦娥五號任務，從月球表面共帶回了380餘公斤樣品。然而，以上樣品全部來自月球正面。中國的嫦娥六號任務首次實現了從月球背面採樣，成功帶回了1935.3克珍貴樣品，爲人類研究月球背面物質特性、岩漿活動、撞擊通量、月球二分性成因等提供了關鍵研究素材。

月球正面與背面的不對稱性成因（涵蓋了玄武岩分佈、地形特徵、月殼厚度以及Th含量等方面）一直是一個長期未解的科學難題。月海玄武岩和隱月海玄武岩覆蓋了約18%的月球表面，其中約93%的玄武岩集中分佈在正面，背面僅分佈7%。Apollo、Luna以及嫦娥五號任務帶回的月球玄武岩樣品表明，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至約1.2億年前的小規模火山活動。月球背面是否經歷了類似的長期火山活動仍不清楚。基於遙感觀測的撞擊坑統計年代學研究表明，正面和背面的火山活動年代模式可能大致相似。然而，由於缺乏來自月球背面月海區域的返回樣品，至今尚無法進行可靠的比較，這阻礙了人們對於月球不對稱性成因的理解。

2024年6月2日清晨，嫦娥六號成功着陸在

月球背面南極-艾特肯盆地預選着陸區

嫦娥六號採樣點位於月球背面南極-艾特肯盆地內部阿波羅撞擊坑邊緣，該區域月殼極薄，遙感觀測顯示該地區分佈有大量的月海玄武岩物質。中國科學院地質與地球物理研究所獲批兩份月壤樣品（編號爲CE6C0100YJFM002，CE6C0200YJFM001）開展研究工作（注：CE6 = 嫦娥六號；C = 鏟取樣；YJFM = 研究粉末）。地質地球所以及國家天文臺的聯合科學家團隊，基於離子探針實驗室自主研發的微區原位年代學分析方法，對嫦娥六號月壤樣品中的玄武岩岩屑進行了精確定年。所採用的方法爲Pb-Pb等時線法，提取分析數據中204Pb/206Pb比值爲橫座標、207Pb/206Pb比值爲縱座標進行擬合，獲得204Pb（非放射成因Pb的代表）爲0的y軸截距即放射成因207Pb/206Pb比值，可計算年齡；在U爲0（即不含放射成因Pb）的測點上可以獲得玄武岩初始Pb同位素組成，用於計算玄武岩源區的238U/204Pb比值，即μ值，可指示玄武岩月幔源區性質。

研究人員通過大量製作岩屑樹脂靶，並在掃描電鏡下進行精細觀察，根據結構將玄武岩分爲三種類型，即斑狀結構、次輝綠結構和嵌晶結構（圖1）。

圖1 嫦娥六號樣品代表性玄武岩岩屑的顯微巖相學特徵。（a）斑狀結構岩屑，可見斜長石和單斜輝石斑晶產於細粒基質中，該類岩屑中沒有發現含鋯礦物；（b）次輝綠結構岩屑，可見斜鋯石（Bdy）和磷灰石（Ap）作爲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）嵌晶結構岩屑，自形的斜鋯石與磷灰石、斜長石產於單斜輝石中；（d）嵌晶結構岩屑，可見高鋁玄武岩（4.2 Ga）中的斜鋯石、靜海石（Trq）、磷灰石和鈦鐵礦（Ilm）呈交生狀產出。SIMS pit爲離子探針直徑~3微米束斑分析後的殘留痕跡。（所有108顆定年玄武岩岩屑BSE圖像可參見文章的Supplementary Fig. 1）

本次研究共選取了108顆玄武岩岩屑開展Pb-Pb定年工作。對每一種結構的岩屑進行SIMS分析，分別構建Pb-Pb等時線。其中107顆（包括9顆斑狀、45顆次輝綠和53顆嵌晶結構）玄武岩岩屑獲得了誤差範圍內一致的Pb-Pb年齡，且等時線斜率也一致，指示這些岩屑極可能來源於同一個期次的玄武岩噴發。綜合所分析的107顆岩屑數據（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岩噴發時代爲2807 ± 3 Ma（圖2b）。

圖2 嫦娥六號月球樣品中107顆2.8 Ga玄武岩岩屑的Pb-Pb等時線。（a）共計180個多礦物測點擬合的Pb-Pb等時線；（b）上圖等時線靠近y軸交點處放大圖，突出顯示含鋯礦物測點數據。

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同位素測點分析，發現3顆隕硫鐵具有低於0.001的U/Pb比值，限定了初始Pb同位素組成爲207Pb/206Pb = 1.085 ± 0.003，204Pb/206Pb = 0.00550 ± 0.00014。根據初始Pb同位素計算出2.8 Ga玄武岩源區的μ值爲360 ± 10。此外，還發現一顆具有嵌晶結構的高鋁玄武岩岩屑（圖1d），對其中的斜鋯石、靜海石和硅酸鹽礦物開展Pb-Pb定年，精確限定其噴發時代爲4203 ± 4 Ma（圖3），並根據等時線斜率計算出其源區的μ值爲1620 ± 160。

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

以上研究揭示嫦娥六號採樣點的主期（本地）玄武岩形成於2807 ± 3 Ma，標誌着月背岩漿活動至少持續到了28億年以前，這一年齡也填補了月球正面玄武岩樣品在該時期的記錄空白。其月幔源區μ值低至~360，低於絕大部分正面玄武岩樣品和月球玄武岩隕石的源區μ值（圖4），指示來自於非常虧損的月幔源區，且岩漿上升過程中也沒有混染KREEP組分。42億年前高鋁玄武岩源區的μ值高達~1620，指示其可能來源於富集KREEP的月幔源區。雖然這一顆高鋁玄武岩在分析樣品量中佔比極低，可能是由其它玄武岩單元濺射至嫦娥六號採樣點的外來物質，但也指示了採樣區附近岩漿活動的多樣性及背面月幔源區的複雜性。

圖4 返回月球玄武岩樣品與部分月球玄武岩隕石的年齡和月幔源區μ值分佈。嫦娥六號採樣點主期2.8 Ga玄武岩的源區μ值低於大多數返回樣品和隕石樣品，指示虧損KREEP；4.2 Ga高鋁玄武岩μ值則較高，指示富集KREEP。

本次研究發現的兩期玄武岩綜合指示月背的火山活動至少持續了14億年，且揭示出月背在經歷了南極-艾特肯盆地形成之後仍存在較富集KREEP物質的月幔源區，而在28億年前已經非常虧損的月幔源區仍可以產出岩漿活動，暗示月背較少的岩漿活動與較少的KREEP物質並不直接相關，可能較大的月球厚度是導致較少玄武岩岩漿活動的更主要原因。

本次研究獲得的嫦娥六號本地玄武岩年齡（2.8 Ga）與此前通過撞擊坑統計定年法得到的採樣區模式年齡（3.07–2.40 Ga）比較一致（圖5），表明爲月球正面建立的隕石坑統計年代學模型也適用於月球背面。且2.8 Ga玄武岩的精確放射性同位素年齡可用於進一步完善當前的隕石坑統計年代學函數，爲它提供關鍵錨點，彌補定年曲線在該時段的空白。

圖5 嫦娥六號採樣點本地2.8 Ga玄武岩放射性同位素年齡與前人撞擊坑統計定年結果對比。

該項研究成果於2024年11月15日在線發表於國際頂級學術期刊Nature（張謙，楊慕涵，李秋立*，劉宇，嶽宗玉，周琴，陳瀏陽，馬紅霞，楊賽紅，唐旭，張廣良，任鑫，李獻華. 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基金（42225301, 42241105）、中國科學院先導B項目（XDB0710000，XDB1180000）、中國科學院地質與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-202401）共同資助。

美編：陳永焱

校對：劉強