沉默的月球背面

雖然人類仰望月球已有數(shù)千年，但直到1959年，蘇聯(lián)“月球3號”探測器傳回首批照片，人類才第一次真正看見了月球背面。這也是我們初次意識(shí)到：月球的正面與背面，有著出人意料的“二分性”。

我們所熟悉的月球正面布滿大片暗色“月?！?，夾雜著明亮的高地。這些月海曾被古人誤認(rèn)為是真正的海洋。實(shí)際上，它們是由熔巖噴發(fā)并冷卻形成的顏色發(fā)暗的玄武巖，約占月球正面三分之一的面積。而在月球背面，幾乎沒有月海的蹤跡，取而代之的是密密麻麻的環(huán)形山和明亮的高地。與月海不同，高地的巖石是在地下深部冷卻形成的，顏色更白一些。遙感數(shù)據(jù)顯示，玄武巖覆蓋的月海區(qū)域在背面僅占1%左右（參考文獻(xiàn)[1]）。

月球正面（左）和背面（右）的地貌對比

（圖片來源：NASA LRO/Jatan Mehta）

而最近的更多研究則發(fā)現(xiàn)，除了地貌上的差異之外，月球正面和背面在成分、月殼厚度和巖漿活動(dòng)等方面也都存在很大差異。比如NASA于2011年發(fā)射的兩顆GRAIL探測器發(fā)現(xiàn)，月背月殼厚度平均比正面厚約20公里（參考文獻(xiàn)[2]）。更厚的月殼、更少的月海、更稀少的玄武巖……這一切似乎都在指向一個(gè)結(jié)論：月球背面更冷、更早終止火山活動(dòng)，更早“死去”。

根據(jù)NASA GRAIL任務(wù)數(shù)據(jù)推斷的月球正面和背面地殼厚度圖

（圖片來源：NASA/JPL/GSFC/MIT/IPGP）

而地質(zhì)學(xué)家判斷一顆星球是否“還活著”的標(biāo)準(zhǔn)，恰恰就是它是否仍有火山活動(dòng)。直到最近，嫦娥六號從月球背面帶回的樣本，徹底打破了這個(gè)印象?？茖W(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)，直到28億年前，月球背面還在持續(xù)噴發(fā)巖漿。我們曾以為那是“早早死去”的一面。如今看來，它的活躍期比想象中更長久。

嫦娥六號，從月球背面帶回了什么？

2024年6月，中國的嫦娥六號探測器成功在月球背面著陸，并首次將來自這片未知區(qū)域的月壤樣本帶回地球。本次任務(wù)的著陸點(diǎn)選在了南極-艾特肯盆地（South Pole–Aitken basin），這是月球上最古老、最大的撞擊坑，也是整個(gè)太陽系中已知最大最深的撞擊盆地之一。它直徑超過2500公里，平均深度6.2-8.2公里。從地質(zhì)學(xué)角度看，這是一塊難得的可以探索月球內(nèi)部的“窗口”，因?yàn)樯顚游镔|(zhì)有可能因撞擊而裸露在地表。

嫦娥六號最終在盆地東北部、阿波羅盆地的南部著陸，并順利采集了1.935千克月壤。這是人類第一次從月球背面帶回實(shí)物樣本，也是在科學(xué)家首次擁有可以直接研究月背的真實(shí)材料。

嫦娥六號月表取樣區(qū)

（圖片來源：Chunlai Li, Hao Hu, Meng-Fei Yang）

這些月壤樣本中，科學(xué)家挑選出了數(shù)百個(gè)巖石碎屑。這些碎屑不大，往往只有幾百微米，但它們承載的信息，卻足以改寫我們對月球背面地質(zhì)史的想象。

月背的滾燙故事

在嫦娥六號攜帶著月壤返回之后，科學(xué)家們從中隨機(jī)手工挑選出400顆尺寸大于300微米（也就是0.3毫米）的巖石碎屑。其中絕大多數(shù)的碎屑屬于典型的玄武巖，而在極少數(shù)樣本中，科學(xué)家還意外找到了一塊鋁元素含量較高的高鋁玄武巖。通過鉛同位素測年后發(fā)現(xiàn)，典型玄武巖的形成年代為約28.07億年前，而高鋁玄武巖的年齡更為古老——達(dá)到42.03億年，幾乎接近整個(gè)月球的年齡上限。

顯微鏡下的月壤樣本，a,b,c均為年齡為28億年的樣本，d則為42億年的樣本

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]）

這意味著我們曾以為“早早沉寂”的月球背面，實(shí)際上曾經(jīng)是熾熱、流淌巖漿的活躍星球表面，而且它還經(jīng)歷了跨度長達(dá)14億年的火山活動(dòng)。

月球背面的這塊小小玄武巖碎屑，除了揭示了火山活動(dòng)的時(shí)間，還提供了一個(gè)更深層的線索——月球正反兩面的地質(zhì)差異，可能起源于它們各自不同的地?！俺錾怼薄?/p>

這其中的關(guān)鍵，是一個(gè)叫做KREEP的物質(zhì)組合。KREEP是一個(gè)地質(zhì)學(xué)縮寫詞，代表三類重要元素的組合：K（鉀）、REE（稀土元素）、P（磷）。這三類物質(zhì)共同的特點(diǎn)是：它們在放射性衰變中會(huì)產(chǎn)生熱量。因此，KREEP的含量越高，說明該巖漿來源的地幔區(qū)域溫度越高。

通過對嫦娥六號帶回樣本的同位素與礦物成分分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：那些形成于28億年前的玄武巖碎屑，來源于一個(gè)KREEP含量極低的地幔，也就是說，它們在熱源極少的情況下仍能形成巖漿；而那塊42億年前的高鋁玄武巖，則顯示出典型的KREEP富集特征，說明當(dāng)時(shí)的月球內(nèi)部擁有相對充足的放射性熱源。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)說明在月球早期，其內(nèi)部確實(shí)擁有足夠的放射性熱源，從而源源不斷產(chǎn)生新的巖漿。而到了晚期，雖然月球內(nèi)部缺乏熱源，但它依然能持續(xù)產(chǎn)生巖漿活動(dòng)。

更重要的意義

這個(gè)發(fā)現(xiàn)更重要的意義是協(xié)助科學(xué)家確定了月球表面二分性的成因。長期以來，科學(xué)家對月球二分性的成因提出了多種假說：假說一認(rèn)為月球正面是KREEP富集區(qū)，KREEP提供了更多內(nèi)部熱量，使火山更活躍，而背面缺乏熱源，因此更早沉寂；假說二認(rèn)為正面的地殼較薄，更利于巖漿穿透形成月海，而背面的厚殼阻礙了巖漿上升；假說三則提出在月球早期形成過程中，一次巨大撞擊（如形成南極-艾特肯盆地的撞擊）導(dǎo)致幔源不均勻混合，從而造成長期差異。

而嫦娥六號的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步強(qiáng)化了假說二的可信度。因?yàn)榧僬f一的存在基礎(chǔ)是由于部分研究者認(rèn)為南極-艾特肯盆地的形成，是一次發(fā)生在42-43億年前的巨大撞擊所致，這次撞擊可能造成月幔物質(zhì)的翻轉(zhuǎn)與擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致KREEP成分在月球內(nèi)部的分布變得極度不均——從而解釋為何正面富含KREEP，而背面貧乏。

但嫦娥六號帶回的樣本中，那塊形成于42億年前的高鋁玄武巖，其地幔來源依然富含KREEP成分。這說明，即便經(jīng)歷了那場可能導(dǎo)致幔源重塑的撞擊，KREEP成分在月球背面并未完全被清空或掩埋，而是仍然部分保存在當(dāng)?shù)氐牡蒯Ｖ?。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)削弱了假說一的論據(jù)基礎(chǔ)。

進(jìn)一步分析還顯示，嫦娥六號采集樣本的區(qū)域中，28億年前的火山巖漿則來源于KREEP極其稀少的幔源。這兩個(gè)樣本間μ值（放射性熱源指標(biāo)）的巨大差異說明：月球背面的月幔結(jié)構(gòu)本身也具有顯著多樣性，甚至與月球正面的月幔結(jié)構(gòu)成分相似。

換句話說，月球背面并不是因?yàn)槿鄙賻r漿而沉寂，而更可能是因?yàn)楦竦牡貧ぷ璧K了巖漿上升與噴發(fā)。這也意味著，長期以來困擾科學(xué)界的“月球正反面二分性”，其真正的控制機(jī)制，很可能不是地幔的差異，而是地殼厚度這一結(jié)構(gòu)因素。

此外，嫦娥六號帶回的這批樣本，不僅揭示了火山噴發(fā)的時(shí)間，也在一個(gè)更基礎(chǔ)但意義深遠(yuǎn)的層面上，驗(yàn)證了我們“測量月球年代”這件事的正確性。

在沒有實(shí)物樣本或樣本極其稀少的遙遠(yuǎn)星球上，比如月球、火星、金星，科學(xué)家是怎么判斷這些星球地質(zhì)年齡的？答案是：看坑，即統(tǒng)計(jì)撞擊坑。

在沒有流水的干旱星球上，每一次隕石撞擊都會(huì)在其地表留下一個(gè)坑。越古老的地面，就越有可能積累更多的撞擊坑；越年輕的地層，坑就相對少。

基于這一邏輯，科學(xué)家發(fā)展出一種間接推測地質(zhì)年齡的方法，叫做撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年法（crater-counting chronology）。它的核心思想是：單位面積內(nèi)撞擊坑的數(shù)量≈這塊地表的“年齡”。

當(dāng)然，這個(gè)方法并不是憑空成立的——它必須依靠“已知年齡的樣本”來校準(zhǔn)：比如嫦娥五號帶回的玄武巖是20億年，我們就知道那片地區(qū)坑的密度，對應(yīng)約20億年；阿波羅樣本是32億年左右，那片坑的密度就成了32億年的參考樣本。

這種以樣本為“時(shí)間錨點(diǎn)”的模型，不僅用于月球，也被廣泛外推用于火星、水星，乃至冥王星的表面年齡推測。

但這個(gè)模型過去有兩個(gè)缺口。一是時(shí)間段空白：在32億年到20億年之間，幾乎沒有返回樣本作為校準(zhǔn)點(diǎn)；二是區(qū)域空白：所有返回樣本都來自月球正面，而月球背面從未有實(shí)物測年。

嫦娥六號則補(bǔ)上了這兩塊拼圖。本次研究中，科學(xué)家將嫦娥六號樣本中玄武巖的放射性鉛同位素測定年齡為約28.07億年。而在嫦娥六號著陸區(qū)附近，過去也有多個(gè)團(tuán)隊(duì)基于遙感圖像進(jìn)行過隕石坑計(jì)數(shù)，所推算出的“相對年齡”大約在27~30億年之間。也就是說，實(shí)測年齡與“數(shù)坑”年齡高度吻合。

這第一次驗(yàn)證了：我們在月球背面所使用的隕石坑計(jì)數(shù)模型，與正面所建立的那一套時(shí)間系統(tǒng)是相容的。更深遠(yuǎn)的意義在于，它不止是驗(yàn)證，還成了新錨點(diǎn)。這個(gè)28.07億年的測年結(jié)果現(xiàn)在本身就成為了一個(gè)新的絕對年齡錨點(diǎn)，可以反過來進(jìn)一步校正隕石坑模型，使之更加準(zhǔn)確。

雖然嫦娥六號帶回來的只是一堆不起眼的月壤，但這些微小顆粒卻揭示了數(shù)十億年間宏大的太陽系演化故事。

參考文獻(xiàn)

[1] Moriarty DP, Dygert N, Valencia SN, Watkins RN, Petro NE (2021) The search for lunar mantle rocks exposed on the surface of the moon. Nature Communications, 12(1). Springer Science and Business Media LLC.

[2] Wieczorek MA, Neumann GA, Nimmo F, Kiefer WS, Taylor GJ, Melosh HJ, Phillips RJ, Solomon SC, Andrews-Hanna JC, Asmar SW, Konopliv AS, Lemoine FG, Smith DE, Watkins MM, Williams JG, Zuber MT (2013) The crust of the moon as seen by GRAIL. Science, 339(6120), 671–675. American Association for the Advancement of Science.

[3] Zhang QWL, Yang MH, Li QL, Liu Y, Yue ZY, Zhou Q, Chen LY, Ma HX, Yang SH, Tang X, Zhang GL, Ren X, Li XH (2025) Lunar farside volcanism 2.8 billion years ago from chang’e-6 basalts. Nature, 643(8071), 356–360. Springer Science and Business Media LLC.

出品：科普中國

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

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