2024年6月25日，嫦娥六號(hào)成功將來(lái)自月球背面的樣本帶回地球，這是人類歷史上首次從這一永遠(yuǎn)背對(duì)地球的未知世界獲取實(shí)物證據(jù)。一年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家圍繞這批月背樣品開(kāi)展了系統(tǒng)研究，其中有四項(xiàng)成果登上《自然》雜志封面，分別涉及月球的巖漿活動(dòng)、古磁場(chǎng)、地幔含水量與深部成分演化。

在前一篇文章《來(lái)自嫦娥六號(hào)的月壤樣本，揭示出月球背面的滾燙歲月》中，我們已經(jīng)知道，嫦娥六號(hào)帶回的月球背面樣本揭示了月球背面在28億年前仍存在活躍火山噴發(fā)。然而，除了火山活動(dòng)的時(shí)間線，這批樣本還透露出一個(gè)更深層的秘密：它們的巖漿原料庫(kù)——月球地幔，似乎在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，經(jīng)歷過(guò)一次足以掏空深部成分的巨型撞擊。

這次研究所分析的巖石樣本，來(lái)自一個(gè)特殊的“撞擊嵌套區(qū)”——阿波羅盆地。它是一個(gè)直徑約500公里的撞擊坑，但更引人注目的是：它本身就處在一個(gè)更龐大的撞擊盆地內(nèi)部。這個(gè)更大的撞擊結(jié)構(gòu)，就是著名的南極–艾特肯（South Pole–Aitken，簡(jiǎn)稱SPA）盆地，是目前已知太陽(yáng)系中最大、最古老的撞擊盆地之一。它的直徑達(dá)到約2500公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)月球本身1737公里的半徑，深度則在6.2至8.2公里之間。

圖中黑色圈即為南極–艾特肯盆地的范圍，紫色部分表示低海拔地區(qū)，紫色越深，海拔越低

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

嫦娥六號(hào)的采樣區(qū)域

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

科學(xué)界普遍認(rèn)為，SPA大概形成于43億年之前。而且這樣規(guī)模的撞擊，不僅僅只是“砸出了一個(gè)坑”那么簡(jiǎn)單，它更有可能將月球部分地幔區(qū)域直接掏空或熔化，使深部物質(zhì)得以裸露或上涌。因此，在這一區(qū)域，找到直接來(lái)自月幔的巖石樣本的概率非常高。

嫦娥六號(hào)帶回的樣本中，確實(shí)包含了大量由地幔巖漿冷卻形成的玄武巖碎片。這些碎片的形成時(shí)間被測(cè)定為大約28億年前。研究人員通過(guò)分析這些巖石中的鍶（Sr）、釹（Nd）等微量元素及其同位素特征，發(fā)現(xiàn)它們代表的巖漿來(lái)源具有極度虧損的地球化學(xué)特征。

要理解“極度虧損”這個(gè)詞，首先需要知道，幾乎所有火成巖（包括玄武巖）都是由高溫巖漿冷卻結(jié)晶而成的。隨著巖漿逐漸冷卻，內(nèi)部的元素和礦物開(kāi)始按順序結(jié)晶析出。這個(gè)過(guò)程雖然涉及復(fù)雜的物理和化學(xué)機(jī)制，但我們可以用初中學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)簡(jiǎn)單理解。

我們知道，任何物質(zhì)在不同溫度下可以呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)。比如水有冰、水和水蒸氣；鐵也有鐵蒸氣、鐵水和固態(tài)鐵。當(dāng)溫度降低時(shí)，物質(zhì)會(huì)在特定的溫度下從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這個(gè)溫度點(diǎn)就是熔點(diǎn)。

而巖漿就像一鍋由多種礦物成分混合而成的“高溫湯”。不同成分的熔點(diǎn)不同，熔點(diǎn)高的會(huì)先“結(jié)晶沉淀”——也就是變成了固體，熔點(diǎn)低的則留在后面繼續(xù)參與后續(xù)演化。

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以把巖漿想象成只由兩種成分組成：一種像鐵，熔點(diǎn)高；另一種像某種輕盈的鹽，熔點(diǎn)低。當(dāng)巖漿冷卻時(shí)，鐵先從液體中結(jié)晶析出沉到底部，而鹽類成分則繼續(xù)留在剩余的液體中。

如果這種過(guò)程不斷重復(fù)——巖漿先結(jié)晶一部分、剩余液體又繼續(xù)結(jié)晶下一部分——那么，巖漿中那些容易結(jié)晶的元素就會(huì)逐漸消失，留下來(lái)的巖漿成分就會(huì)越來(lái)越貧乏。

地質(zhì)學(xué)家正是通過(guò)研究這種貧乏程度，來(lái)推斷巖漿經(jīng)歷了多少次提取、冷卻，甚至追溯它是否來(lái)自一個(gè)已經(jīng)被“榨干”的地幔。

換句話說(shuō)，先沉淀出去的，是那些容易結(jié)晶的大顆粒礦物和高溫元素。每一次結(jié)晶，都會(huì)從巖漿中帶走一部分成分。而剩下的巖漿，就越來(lái)越“稀”，逐步失去原始的復(fù)雜性。

如果這一過(guò)程反復(fù)發(fā)生，那么最終留下的殘余巖漿，其成分就會(huì)顯著不同于最初的狀態(tài)。這種現(xiàn)象，就被稱為地幔的成分虧損，也是我們理解巖漿演化與地幔歷史的一個(gè)重要線索。

通過(guò)美國(guó)的阿波羅任務(wù)，科學(xué)家就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了月球地幔物質(zhì)是不均勻的：有些區(qū)域的地幔并不虧損，但有些區(qū)域卻存在極度虧損的情況。這次帶回來(lái)的月背樣本則是目前發(fā)現(xiàn)的虧損狀態(tài)最嚴(yán)重的樣本。

關(guān)于月球地幔的虧損，科學(xué)家們提出了兩種解釋。

科學(xué)家提出的第一種可能，是這些巖漿源自月球早期的巖漿洋殘余地幔。

在月球形成后的最初階段，它的內(nèi)部處于一種高度熾熱、幾乎完全熔融的狀態(tài)，形成了一個(gè)全球性的巖漿海洋（Lunar Magma Ocean, 簡(jiǎn)稱LMO）。隨著溫度下降，巖漿洋逐漸冷卻結(jié)晶，沉淀出一層又一層的礦物，就像湯里的材料一點(diǎn)點(diǎn)沉到鍋底。

而最早結(jié)晶出來(lái)的，是一些富含鐵鎂的礦物，這些礦物帶走了大量稀土元素以及鉀、磷等成分，最后形成的，是一種極度貧瘠的深部地幔殘余。

如果嫦娥六號(hào)帶回的這些玄武巖，就是從這種殘余地幔熔融而來(lái)，那么它們的極度虧損就可以理解為先天形成的遺傳特征——生下來(lái)就貧瘠。

另一種解釋則認(rèn)為這種虧損并不是天生的，而是經(jīng)歷了一場(chǎng)巨大的撞擊事件。

正如前文所說(shuō)，嫦娥六號(hào)的著陸點(diǎn)正好處在南極–艾特肯盆地（SPA）內(nèi)，這是月球上乃至整個(gè)太陽(yáng)系中最大、最古老的撞擊盆地之一。模擬研究表明，這樣規(guī)模的撞擊可能在月球內(nèi)部激起劇烈的熔融和物質(zhì)提取，特別是在地殼與上地幔交界的區(qū)域。

這意味著：這場(chǎng)撞擊不僅打出了一個(gè)深坑，還可能從上地幔中抽走了大量巖漿成分，留下了一塊被抽干的地幔殘片。而28億年后，正是這塊殘片中的殘余巖漿，再次冷卻形成了嫦娥六號(hào)樣本中這些極度虧損的玄武巖。

換句話說(shuō)，這些巖石就是這一次巨大撞擊事件在地球化學(xué)層面的證據(jù)。

巨大撞擊事件形成虧損地幔物質(zhì)的過(guò)程

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這兩種解釋目前都沒(méi)有被完全排除。論文作者甚至指出，這兩種機(jī)制可能并非互斥：即便月球早期存在一個(gè)天然的虧損地幔，SPA撞擊也可能進(jìn)一步加劇了它的貧瘠狀態(tài)。

但無(wú)論是哪種機(jī)制，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都指出：月球內(nèi)部的演化過(guò)程，遠(yuǎn)比我們此前的理解更加復(fù)雜。更重要的是，它提示我們——撞擊事件這種看似偶然的外力，可能在行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分演化中扮演了比以往認(rèn)為更重要的角色。這一機(jī)制，或許并不只屬于月球，也可能同樣適用于太陽(yáng)系內(nèi)其他巖質(zhì)行星的早期歷史。

如今，嫦娥六號(hào)帶回的這批月球背面樣本，它們所承載的地質(zhì)密碼正被逐步揭開(kāi)。通過(guò)對(duì)這些巖石中微量元素與同位素的分析，科學(xué)家不僅重建了一段發(fā)生在28億年前的巖漿活動(dòng)，更順藤摸瓜，追溯到了它們可能的地幔來(lái)源——一個(gè)在早期月球形成或撞擊事件中，經(jīng)歷過(guò)巖漿抽離的極度虧損區(qū)。

或許，太陽(yáng)系中那些巖石行星的地幔深處，也都藏著類似的“撞擊回聲”。而這些答案，仍在等待更多樣本、更多探測(cè)任務(wù)的驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

[1] Zhou Q, Yang W, Chu Z, et al. Ultra-depleted mantle source of basalts from the South Pole–Aitken basin[J]. Nature, 2025, 643(8071): 371-375.

出品：科普中國(guó)

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

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