來源：行星科學
我國月球探測工程嫦娥六號于5月3日成功發射、6月2日著陸月表，并于6月25日攜帶1935.3克樣品重返地球。嫦娥六號任務是國際首次月球背面采樣返回任務，這些珍貴的樣品將幫助解答月球二分性起源、月球深部物質組成和南極-愛肯盆地撞擊事件時間，重塑人類對地球這一近鄰的認識。近日，香港大學地球科學系研究團隊聯合中國科學院、中國地質大學（武漢）、北京大學和國外研究機構對嫦娥六號著陸區進行了詳細研究，重建了該地區所經歷的噴出與侵入式巖漿作用，對返回樣品研究具有重要啟示。該成果發表于自然指數期刊Earth and Planetary Science Letters和The Astrophysical Journal Letters。
月球巖漿活動分為侵入式和噴出式兩類，其產物蘊藏著月球內部及熱狀態等豐富信息。由于月球的二分性，巖漿在月球正面和背面的活動并不對稱。作為對以往月球返回樣品的補充（美國阿波羅號、前蘇聯月球號和中國嫦娥五號等采集樣品均來自月球正面），月球背面南極-艾肯盆地（South Pole-Aitken Basin）的樣品一直被認為是解答月球二分性難題的關鍵，填補人類對月背知識的缺乏。盡管如此，這些樣品從未被采集，直至我國的嫦娥六號任務。嫦娥六號著陸采樣點（153.978°W，41.625°S）位于南極-艾肯盆地東北部的阿波羅盆地南部的月海玄武巖平原之上（圖1）。該地區發育月海玄武巖平原、月溪、火山臺地、火山穹丘、火山凹陷及底部斷裂性撞擊坑等廣泛的內生構造，反映了該地區曾經歷多樣、持續的巖漿活動。
圖1. 嫦娥六號著陸點位于月球背面南極-愛肯盆地東北部，阿波羅盆地南部的月海玄武巖單元區域。
噴出式巖漿作用
本研究基于表面形貌、物質組成等將阿波羅盆地內部玄武巖劃分為中部、西北部、西部、南部和東南部等5個月海玄武巖單元。嫦娥六號最終著陸在了南部月海玄武巖之上，所采集的月壤樣品主要來自于該單元。撞擊坑統計定年顯示，阿波羅盆地火山活動持續時間可追溯到距今約40.5億年之前的酒海紀（隱月海），一直延續到約17.9億年之前的愛拉托遜紀，持續時間與月球整體火山活動的時間相當（圖2）。該地區的火山活動受到月殼厚度顯著影響。在月殼厚度中等的地區，巖漿傾向于在撞擊坑下部橫向擴展形成巖席。在月殼厚度較薄的地區比如阿波羅盆地內部，巖漿傾向于直接噴發出月表，而在月殼厚度較厚的地區巖漿傾向于侵入月殼而不噴發（圖3）。這一基本發現啟示月球正面及背面火山活動的不對稱性可能是因為月殼厚度差異造成的。這一觀點可以通過返回的嫦娥六號樣品進行驗證，啟示月球二分起源這一關鍵科學問題。
對嫦娥六號著陸的南部月海區域，團隊發現至少存在兩期火山噴發事件。較早的一期噴發于距今約33.4億年前，由低鈦玄武巖組成（3.2±0.5 wt%），覆蓋了阿波羅盆地峰環與坑緣之間的整個區域。較晚的一期噴發于距今約30.7億年前，其物質組成為高鈦玄武巖（6.2±1.0 wt%），并覆蓋在低鈦玄武巖之上。我們發現這一較年輕的高鈦玄武巖具有由西往東厚度減小的趨勢，并且在查菲S撞擊坑附近識別出集中的火山構造，高鈦玄武巖與低鈦玄武巖的邊界則與皺脊（WR-3）的走向具有強相關性。因此，本研究提出嫦娥六號直接采樣的高鈦玄武巖噴發于查菲S撞擊坑附近，向東流動覆蓋低鈦玄武巖，厚度逐漸減小，直至遇到原始皺脊而停止，在此之后，皺脊隨月球冷卻繼續隆升（圖2）。阿波羅盆地南部月海區域具有從低鈦往高鈦火山活動演化的趨勢，與嫦娥五號任務著陸區相似。嫦娥六號樣品研究可以幫助認識月海玄武巖源區演化是否在月球正面和背面具有相同的演化路徑。此外，嫦娥六號采樣點距離懷特-格里索姆隱月海不到100千米，比以往所有采樣點都近，將有非常大的概率首次原位采集到隱月海物質，為認識月球古老火山作用（>40億年）提供契機。
圖2. 嫦娥六號著陸區發育豐富的噴出式巖漿作用產物。嫦娥六號直接采樣的高鈦玄武巖可能覆蓋在低鈦玄武巖之上，噴發自查菲S撞擊坑附近。
侵入式巖漿作用
除此之外，本研究發現侵入式巖漿作用在南極-艾肯盆地區域分布廣泛。它們以不同形式存在，包括底部斷裂型撞擊坑下部橫向擴展形成的巖席、顯示重力異常的線性和環狀巖墻，以及具有明顯光譜特征的鎂質巖套等（圖3）。這一觀察，與盆地內中等厚度的月殼，較傾向于受巖漿侵入的機制相吻合。在此地區進行采樣，嫦娥六號任務極有可能采集到該地區經撞擊挖掘并飛濺至采樣點的深成巖（侵入巖），并可通過樣品分析作出驗證。本次研究首次發現了兩個退化嚴重且發育不充分的底部斷裂型撞擊坑并將其命名為阿波羅X和阿波羅Q撞擊坑，為在月球表面識別相類似的結構提供啟示，同時證明侵入式巖漿作用在嫦娥六號著陸區的普遍性。
本研究進一步對嫦娥六號采樣點的潛在侵入巖進行了溯源，認為嫦娥六號樣品中極有可能包含鎂質巖套物質，這些物質最初由阿波羅撞擊事件從深部（<50千米）挖掘出月表，暴露于盆地西部峰環區域，并經查菲S撞擊坑再次拋射而來，在嫦娥六號采樣點的厚度約為15厘米。嫦娥六號表取樣品代表了查菲S撞擊坑濺射物與原位玄武巖的混合物質，鉆取樣品則含有更多原位玄武巖物質。對這類貧克里普、富鎂巖套樣品的識別、研究將能深入幫助認識鎂質巖套侵位深度、機制，克里普元素在鎂質巖套起源中的作用等關鍵問題，啟示月球二次月殼的形成過程。
圖3.嫦娥六號著陸區發育豐富的侵入式巖漿作用產物。嫦娥六號可能直接采集到來自于查菲S撞擊坑濺射而來的鎂質巖套物質和來自月球南極-愛肯盆地的侵入巖。
綜上所述，嫦娥六號著陸區經歷了多樣而持續的巖漿活動，有助于深入認識月球早期演化和熱歷史，補充對月球背面認識的缺乏。
上述成果發表于自然指數期刊Earth and Planetary Science Letters和The Astrophysical Journal Letters，第一及通訊作者為香港大學錢煜奇博士（趙國春院士團隊），得到香港研究資助局Research Impact Fund (R5043-19)、General Research Fund (17306623)和Research Fellow Scheme (RFS2324-7S02)項目支持和趙國春、李獻華院士指導。感謝國家航天局探月與航天工程中心等實施嫦娥六號任務。
參考文獻
Qian, Y., Head, J., Michalski, J., Wang, X., van der Bogert, C.H., Hiesinger, H., Sun, L., Yang, W., Xiao, L., Li, X., Zhao, G., 2024. Long-lasting farside volcanism in the Apollo basin: Chang’e-6 landing site. Earth and Planetary Science Letters 637, 118737. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118737
Qian, Y., Head, J., Michalski, J., Gong, S., Yang, W., Wang, Z., Xiao, L., Li, X., Zhao, G., 2024. Extensive Intrusive Magmatism in the Lunar Farside Apollo and South Pole–Aitken Basins, Chang’e-6 Landing Site. The Astrophysical Journal Letters 971, L39. https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad698f
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