在浩瀚的宇宙中，月球一直被認(rèn)為是一顆早已沉寂的天體。科學(xué)家們曾經(jīng)篤定，這顆地球的忠實(shí)伴侶在30億年前就已經(jīng)進(jìn)入了永恒的休眠，火山活動(dòng)早已偃旗息鼓，只留下斑駁的環(huán)形山訴說著遠(yuǎn)古的激情。2020年，嫦娥五號(hào)從月球正面的風(fēng)暴洋帶回的玄武巖樣品，將月球火山活動(dòng)的歷史一舉延長到20億年前，震驚了整個(gè)科學(xué)界。然而，一個(gè)更深層的謎題隨之浮現(xiàn)：是什么力量讓月球在理應(yīng)“油盡燈枯”的晚年，依然保持著火山活動(dòng)的能力？

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所保存的月球土壤樣本

（圖片來源：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所）

傳統(tǒng)理論在這個(gè)問題面前顯得捉襟見肘。按照經(jīng)典的行星熱演化模型，像月球這樣的小天體應(yīng)該早已冷卻凝固。于是，科學(xué)家們曾提出各種假說——或許是放射性元素提供了額外熱源，或許是水降低了巖石的熔點(diǎn)——但嫦娥五號(hào)樣品的分析結(jié)果卻一一否定了這些猜測。源區(qū)既不富水，也缺乏放射性生熱元素，月球晚期火山活動(dòng)的動(dòng)力機(jī)制成為了一個(gè)亟待破解的科學(xué)難題。

2024年6月，當(dāng)嫦娥六號(hào)從月球背面南極-艾特肯盆地帶回1935.3克珍貴樣品時(shí)，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所副研究員汪程遠(yuǎn)和中國科學(xué)院院士徐義剛帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合香港大學(xué)博士錢煜奇等科學(xué)家，終于找到了打開這個(gè)謎題的鑰匙。通過對(duì)形成于28億至29億年前的兩類玄武巖的深入分析，他們不僅重建了月球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，更揭示了一個(gè)前所未知的熱動(dòng)力機(jī)制——巖漿底侵加熱。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅解答了困擾科學(xué)界多年的難題，更為我們理解其他小型天體的地質(zhì)演化提供了全新的視角。2025年8月23日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

我國科研人員制作的月球背面影像圖

（圖片來源：新華社）

從誕生到沉寂：月球45億年的史詩

月球的故事始于一場宇宙級(jí)的碰撞。約45億年前，一顆火星大小的天體“忒伊亞”斜撞向初生的地球，這場被稱為“大撞擊”的災(zāi)難性事件，卻意外地為地球塑造了一位永恒的伴侶。撞擊產(chǎn)生的碎片在地球引力的牽引下逐漸聚集，最終凝聚成了月球。初生的月球表面是一片深達(dá)數(shù)百公里的巖漿海洋，溫度高達(dá)1700攝氏度，熾熱的熔巖如同一個(gè)巨大的熔爐，在黑暗的太空中散發(fā)著暗紅色的光芒。

忒伊亞與地球碰撞后產(chǎn)生月球。忒伊亞星形成于地球拉格朗日點(diǎn)L4，然后朝碰撞點(diǎn)移動(dòng)。動(dòng)畫僅顯示一年，所以地球看似不動(dòng)

（圖片來源：維基百科）

隨后的數(shù)千萬年里，這片巖漿海洋開始了緩慢而有序的冷卻。輕質(zhì)的斜長石礦物像泡沫一樣上浮，逐漸形成了月球的原始地殼——那些我們今天看到的明亮高地。而密度較大的橄欖石和輝石則下沉到深處，構(gòu)成了月幔的主體。在結(jié)晶的最后階段，富含鈦和鐵的礦物形成了一層特殊的堆積體，為后來的火山活動(dòng)埋下了伏筆。

39億年前，月球迎來了它歷史上最輝煌的火山時(shí)代。從月海玄武巖的大規(guī)模噴發(fā)，到充填巨大撞擊盆地的熔巖流，月球表面發(fā)生了翻天覆地的變化。那些我們用肉眼就能看到的暗色區(qū)域——雨海、靜海、風(fēng)暴洋，都是這個(gè)時(shí)期火山活動(dòng)的杰作。熔巖如河流般在月表流淌，有些熔巖流甚至綿延數(shù)百公里，厚度達(dá)到數(shù)十米。

然而，隨著內(nèi)部熱量的逐漸散失，月球的地質(zhì)活動(dòng)開始走向衰退。巖石圈不斷增厚，從最初的幾十公里增長到后來的200多公里，如同給月球穿上了一件越來越厚重的石質(zhì)外衣?；鹕絿姲l(fā)變得越來越稀少，越來越微弱。科學(xué)家們曾經(jīng)認(rèn)為，到了30億年前，月球就已經(jīng)完全“老去”，成為了一個(gè)地質(zhì)上毫無生機(jī)的天體。直到嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)的發(fā)現(xiàn)，才讓我們意識(shí)到，即使在20多億年前，月球依然保持著最后的地質(zhì)脈動(dòng)，用零星的火山噴發(fā)訴說著它不甘沉寂的倔強(qiáng)。

地球與忒伊亞碰撞瞬間的想象圖

（圖片來源：NASA）

兩種玄武巖的身世之謎

在嫦娥六號(hào)帶回的月壤中，研究團(tuán)隊(duì)識(shí)別出了兩類截然不同的玄武巖。第一類是低鈦玄武巖，形成于約28億年前，含有約5%的鈦鐵礦；第二類是超低鈦玄武巖，形成時(shí)間略早，約29億年前，鈦鐵礦含量不足1%。這兩類巖石雖然形成時(shí)間相近，但它們的“出生地”卻大不相同。

通過精密的礦物學(xué)分析和地球化學(xué)模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)低鈦玄武巖源自月幔60至80公里的深度，而超低鈦玄武巖則來自更深的120公里處。這種深度上的差異不僅反映了月球內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)，更揭示了一個(gè)重要的演化趨勢：隨著時(shí)間推移，火山活動(dòng)的源區(qū)正在逐漸變淺。

更令人著迷的是這兩類巖石的礦物組成。低鈦玄武巖中的輝石呈現(xiàn)出復(fù)雜的成分變化，從富鎂到貧鎂，記錄了巖漿演化的完整過程。而超低鈦玄武巖則顯示出更為原始的特征，其輝石成分相對(duì)均一，暗示著較少的分異作用。通過鍶同位素分析，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)兩類玄武巖具有不同的初始鍶同位素比值，進(jìn)一步證實(shí)了它們來源于不同的月幔儲(chǔ)庫。

月球深處的“千層餅”

在之前描述過的月球表面巖漿海洋結(jié)晶的最后階段，形成了一種特殊的巖層——含鈦鐵礦的堆晶體，科學(xué)家稱之為IBC（Ilmenite-Bearing Cumulate）。這層富含鈦鐵礦和輝石的巖石，恰恰就是嫦娥六號(hào)低鈦玄武巖的源區(qū)。由于密度較大，理論上IBC應(yīng)該下沉到月幔深處，但研究表明，月幔的翻轉(zhuǎn)過程并不完全，部分IBC依然停留在淺部月幔中，就像一塊沒有完全攪拌均勻的千層餅。

汪程遠(yuǎn)和徐義剛團(tuán)隊(duì)通過地球化學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，低鈦玄武巖的源區(qū)含有約70%的輝石和3%的鈦鐵礦，這與IBC的成分特征高度吻合。而超低鈦玄武巖則源自幾乎不含鈦鐵礦的輝石巖層，代表了巖漿海洋結(jié)晶過程中更早期的產(chǎn)物。這種垂直方向上的成分分層，為我們描繪出了月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)圖景。

被“卡住”的巖漿如何點(diǎn)燃火山

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，月球晚期火山活動(dòng)可能與兩個(gè)因素有關(guān)：一是源區(qū)富含水分，降低了巖石的熔點(diǎn)；二是富含鉀、釷、鈾等放射性生熱元素（KREEP物質(zhì)），提供了額外的熱源。然而，嫦娥五號(hào)和嫦娥六號(hào)的樣品分析結(jié)果卻給出了否定的答案——這些年輕玄武巖的源區(qū)既“干燥”又缺乏KREEP成分。

KREEP是月球地質(zhì)學(xué)中的一個(gè)專業(yè)術(shù)語，由鉀元素符號(hào)K、稀土元素縮寫REE（Rare Earth Elements）和磷元素符號(hào)P組合而成，常翻譯為克里普。這類物質(zhì)常見于月球的撞擊角礫巖和某些玄武巖中，其最重要的特征是富含不相容元素——這些元素在礦物結(jié)晶過程中傾向于留在熔體中，難以進(jìn)入固體晶格。KREEP物質(zhì)中特別富集的放射性生熱元素包括鈾、釷和鉀（主要是放射性同位素鉀-40），這些元素的放射性衰變能夠產(chǎn)生熱量，曾被認(rèn)為可能是驅(qū)動(dòng)月球晚期火山活動(dòng)的熱源之一。

NASA月球探勘者號(hào)映射出的月球釷（Th）濃度。釷與克里普礦物的位置有著密切關(guān)聯(lián)。

（圖片來源：NASA）

那么，是什么力量驅(qū)動(dòng)了月球在“晚年”依然保持火山活力呢？研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)創(chuàng)新性的機(jī)制：巖漿底侵加熱模型。隨著月球的持續(xù)冷卻，其外層的巖石圈不斷增厚，從早期的幾十公里增加到晚期的200多公里。這就像給月球穿上了一件越來越厚的“棉襖”，使得深部的巖漿難以直接突破到地表。

這些來自深部月幔的巖漿在上升過程中遇到了阻礙，被迫滯留在淺部IBC層的底部。想象一下，這就像熱水在密閉容器底部不斷加熱上層的水一樣。滯留的巖漿持續(xù)向上傳導(dǎo)熱量，最終使得淺部的IBC發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生了新的巖漿。這些新生成的巖漿由于源區(qū)較淺，更容易找到通道噴發(fā)到月表，形成了我們今天看到的年輕玄武巖。

月球晚期火山活動(dòng)想象圖

（圖片來源：研究團(tuán)隊(duì)）

通過數(shù)值模擬，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算出當(dāng)巖漿底侵通量達(dá)到每百萬年0.2至2公里時(shí)，足以在數(shù)千萬年內(nèi)將110公里和80公里深度的巖石加熱到熔點(diǎn)以上。這個(gè)過程解釋了為什么嫦娥六號(hào)的兩類玄武巖顯示出源區(qū)深度隨時(shí)間變淺的趨勢——早期的超低鈦玄武巖來自120公里深處，而稍晚的低鈦玄武巖則來自60至80公里。

月球的不對(duì)稱之美

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)將目光投向全月球的遙感數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)有趣的規(guī)律浮現(xiàn)出來。通過分析Clementine探測器的光譜數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)月球正面和背面的年輕火山巖存在顯著的化學(xué)差異。正面的晚期玄武巖鈦含量普遍較高，平均約5.4%，與嫦娥五號(hào)樣品相似；而背面則以低鈦和超低鈦玄武巖為主，平均僅1.6%，與嫦娥六號(hào)的超低鈦樣品接近。

這種差異可能反映了月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的根本不對(duì)稱性。月球正面的淺部月幔可能含有更厚、鈦鐵礦含量更高的IBC層，而背面的IBC層則相對(duì)較薄且貧鈦。造成這種不對(duì)稱的原因可能有多個(gè)：首先，月球形成早期的巖漿海洋結(jié)晶過程可能本身就不均勻，正面結(jié)晶較晚，產(chǎn)生了更多的晚期富鈦堆晶體；其次，約43億年前的南極-艾特肯盆地撞擊事件可能改造了月球背面的淺部月幔，使其部分熔融并失去了一些不相容元素。

研究團(tuán)隊(duì)通過鍶釹同位素分析發(fā)現(xiàn)，嫦娥六號(hào)低鈦玄武巖顯示出高度虧損的特征，這與預(yù)期的IBC富集特征不符。他們推測，南極-艾特肯盆地的巨大撞擊可能導(dǎo)致了撞擊區(qū)域下方月幔的減壓熔融，產(chǎn)生的熔體被抽取到撞擊熔融層中，使得殘留的月幔變得更加虧損。這個(gè)過程就像是對(duì)月幔進(jìn)行了一次“重組”，改變了其原有的化學(xué)特征。

嫦娥五號(hào)月面取樣返回任務(wù)介紹

（圖片來源：行星學(xué)會(huì)）

重新認(rèn)識(shí)我們的鄰居

嫦娥六號(hào)的研究成果不僅改寫了月球火山活動(dòng)的歷史，更為我們理解太陽系內(nèi)其他小型天體的演化提供了重要參考。月球作為地球最近的天體鄰居，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熱演化歷史的復(fù)雜性遠(yuǎn)超我們的想象。從45億年前的巖漿海洋，到30億年前的活躍火山活動(dòng)，再到20億年前依然保持的地質(zhì)活力，月球展現(xiàn)出了一個(gè)動(dòng)態(tài)演化的過程。

汪程遠(yuǎn)、徐義剛及其合作者的這項(xiàng)研究，標(biāo)志著中國探月工程在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域取得的又一重要突破。通過對(duì)嫦娥六號(hào)樣品的深入分析，科學(xué)家們不僅解答了月球年輕火山活動(dòng)的熱源之謎，還揭示了月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)特征和演化規(guī)律。

當(dāng)我們仰望夜空中那輪明月時(shí)，不妨想象一下：在那看似平靜的表面之下，曾經(jīng)有熾熱的巖漿在涌動(dòng)，有火山在噴發(fā)，有一個(gè)充滿活力的世界在演化。月球并非一個(gè)早已“老去”的天體，而是一個(gè)有著豐富地質(zhì)歷史的鄰居，它的故事還在被我們一點(diǎn)點(diǎn)揭開。隨著中國探月工程的持續(xù)推進(jìn)，相信還會(huì)有更多令人驚嘆的發(fā)現(xiàn)等待著我們。

參考文獻(xiàn)

1.Wang et al., Sci. Adv. 11, eadv9085 (2025) 22 August 2025. The source and thermal driver of young (<3.0 Ga) lunar volcanism

出品：科普中國

作者：吳剛（物理學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽