来自嫦娥六号的月壤样本，揭示出月球背面的滚烫岁月

沉默的月球背面

虽然人类仰望月球已有数千年，但直到1959年，苏联“月球3号”探测器传回首批照片，人类才第一次真正看见了月球背面。这也是我们初次意识到：月球的正面与背面，有着出人意料的“二分性”。

我们所熟悉的月球正面布满大片暗色“月海”，夹杂着明亮的高地。这些月海曾被古人误认为是真正的海洋。实际上，它们是由熔岩喷发并冷却形成的颜色发暗的玄武岩，约占月球正面三分之一的面积。而在月球背面，几乎没有月海的踪迹，取而代之的是密密麻麻的环形山和明亮的高地。与月海不同，高地的岩石是在地下深部冷却形成的，颜色更白一些。遥感数据显示，玄武岩覆盖的月海区域在背面仅占1%左右（参考文献[1]）。

月球正面（左）和背面（右）的地貌对比

（图片来源：NASA LRO/Jatan Mehta）

而最近的更多研究则发现，除了地貌上的差异之外，月球正面和背面在成分、月壳厚度和岩浆活动等方面也都存在很大差异。比如NASA于2011年发射的两颗GRAIL探测器发现，月背月壳厚度平均比正面厚约20公里（参考文献[2]）。更厚的月壳、更少的月海、更稀少的玄武岩……这一切似乎都在指向一个结论：月球背面更冷、更早终止火山活动，更早“死去”。

根据NASA GRAIL任务数据推断的月球正面和背面地壳厚度图

（图片来源：NASA/JPL/GSFC/MIT/IPGP）

而地质学家判断一颗星球是否“还活着”的标准，恰恰就是它是否仍有火山活动。直到最近，嫦娥六号从月球背面带回的样本，彻底打破了这个印象。科学家们惊讶地发现，直到28亿年前，月球背面还在持续喷发岩浆。我们曾以为那是“早早死去”的一面。如今看来，它的活跃期比想象中更长久。

嫦娥六号，从月球背面带回了什么？

2024年6月，中国的嫦娥六号探测器成功在月球背面着陆，并首次将来自这片未知区域的月壤样本带回地球。本次任务的着陆点选在了南极-艾特肯盆地（South Pole–Aitken basin），这是月球上最古老、最大的撞击坑，也是整个太阳系中已知最大最深的撞击盆地之一。它直径超过2500公里，平均深度6.2-8.2公里。从地质学角度看，这是一块难得的可以探索月球内部的“窗口”，因为深层物质有可能因撞击而裸露在地表。

嫦娥六号最终在盆地东北部、阿波罗盆地的南部着陆，并顺利采集了1.935千克月壤。这是人类第一次从月球背面带回实物样本，也是在科学家首次拥有可以直接研究月背的真实材料。

嫦娥六号月表取样区

（图片来源：Chunlai Li, Hao Hu, Meng-Fei Yang）

这些月壤样本中，科学家挑选出了数百个岩石碎屑。这些碎屑不大，往往只有几百微米，但它们承载的信息，却足以改写我们对月球背面地质史的想象。

月背的滚烫故事

在嫦娥六号携带着月壤返回之后，科学家们从中随机手工挑选出400颗尺寸大于300微米（也就是0.3毫米）的岩石碎屑。其中绝大多数的碎屑属于典型的玄武岩，而在极少数样本中，科学家还意外找到了一块铝元素含量较高的高铝玄武岩。通过铅同位素测年后发现，典型玄武岩的形成年代为约28.07亿年前，而高铝玄武岩的年龄更为古老——达到42.03亿年，几乎接近整个月球的年龄上限。

显微镜下的月壤样本，a,b,c均为年龄为28亿年的样本，d则为42亿年的样本

（图片来源：参考文献[3]）

这意味着我们曾以为“早早沉寂”的月球背面，实际上曾经是炽热、流淌岩浆的活跃星球表面，而且它还经历了跨度长达14亿年的火山活动。

月球背面的这块小小玄武岩碎屑，除了揭示了火山活动的时间，还提供了一个更深层的线索——月球正反两面的地质差异，可能起源于它们各自不同的地幔“出身”。

这其中的关键，是一个叫做KREEP的物质组合。KREEP是一个地质学缩写词，代表三类重要元素的组合：K（钾）、REE（稀土元素）、P（磷）。这三类物质共同的特点是：它们在放射性衰变中会产生热量。因此，KREEP的含量越高，说明该岩浆来源的地幔区域温度越高。

通过对嫦娥六号带回样本的同位素与矿物成分分析，科学家发现：那些形成于28亿年前的玄武岩碎屑，来源于一个KREEP含量极低的地幔，也就是说，它们在热源极少的情况下仍能形成岩浆；而那块42亿年前的高铝玄武岩，则显示出典型的KREEP富集特征，说明当时的月球内部拥有相对充足的放射性热源。

这个发现说明在月球早期，其内部确实拥有足够的放射性热源，从而源源不断产生新的岩浆。而到了晚期，虽然月球内部缺乏热源，但它依然能持续产生岩浆活动。

更重要的意义

这个发现更重要的意义是协助科学家确定了月球表面二分性的成因。长期以来，科学家对月球二分性的成因提出了多种假说：假说一认为月球正面是KREEP富集区，KREEP提供了更多内部热量，使火山更活跃，而背面缺乏热源，因此更早沉寂；假说二认为正面的地壳较薄，更利于岩浆穿透形成月海，而背面的厚壳阻碍了岩浆上升；假说三则提出在月球早期形成过程中，一次巨大撞击（如形成南极-艾特肯盆地的撞击）导致幔源不均匀混合，从而造成长期差异。

而嫦娥六号的发现，进一步强化了假说二的可信度。因为假说一的存在基础是由于部分研究者认为南极-艾特肯盆地的形成，是一次发生在42-43亿年前的巨大撞击所致，这次撞击可能造成月幔物质的翻转与扰动，进而导致KREEP成分在月球内部的分布变得极度不均——从而解释为何正面富含KREEP，而背面贫乏。

但嫦娥六号带回的样本中，那块形成于42亿年前的高铝玄武岩，其地幔来源依然富含KREEP成分。这说明，即便经历了那场可能导致幔源重塑的撞击，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当地的地幔之中。这项发现削弱了假说一的论据基础。

进一步分析还显示，嫦娥六号采集样本的区域中，28亿年前的火山岩浆则来源于KREEP极其稀少的幔源。这两个样本间μ值（放射性热源指标）的巨大差异说明：月球背面的月幔结构本身也具有显著多样性，甚至与月球正面的月幔结构成分相似。

换句话说，月球背面并不是因为缺少岩浆而沉寂，而更可能是因为更厚的地壳阻碍了岩浆上升与喷发。这也意味着，长期以来困扰科学界的“月球正反面二分性”，其真正的控制机制，很可能不是地幔的差异，而是地壳厚度这一结构因素。

此外，嫦娥六号带回的这批样本，不仅揭示了火山喷发的时间，也在一个更基础但意义深远的层面上，验证了我们“测量月球年代”这件事的正确性。

在没有实物样本或样本极其稀少的遥远星球上，比如月球、火星、金星，科学家是怎么判断这些星球地质年龄的？答案是：看坑，即统计撞击坑。

在没有流水的干旱星球上，每一次陨石撞击都会在其地表留下一个坑。越古老的地面，就越有可能积累更多的撞击坑；越年轻的地层，坑就相对少。

基于这一逻辑，科学家发展出一种间接推测地质年龄的方法，叫做撞击坑统计定年法（crater-counting chronology）。它的核心思想是：单位面积内撞击坑的数量≈这块地表的“年龄”。

当然，这个方法并不是凭空成立的——它必须依靠“已知年龄的样本”来校准：比如嫦娥五号带回的玄武岩是20亿年，我们就知道那片地区坑的密度，对应约20亿年；阿波罗样本是32亿年左右，那片坑的密度就成了32亿年的参考样本。

这种以样本为“时间锚点”的模型，不仅用于月球，也被广泛外推用于火星、水星，乃至冥王星的表面年龄推测。

但这个模型过去有两个缺口。一是时间段空白：在32亿年到20亿年之间，几乎没有返回样本作为校准点；二是区域空白：所有返回样本都来自月球正面，而月球背面从未有实物测年。

嫦娥六号则补上了这两块拼图。本次研究中，科学家将嫦娥六号样本中玄武岩的放射性铅同位素测定年龄为约28.07亿年。而在嫦娥六号着陆区附近，过去也有多个团队基于遥感图像进行过陨石坑计数，所推算出的“相对年龄”大约在27~30亿年之间。也就是说，实测年龄与“数坑”年龄高度吻合。

这第一次验证了：我们在月球背面所使用的陨石坑计数模型，与正面所建立的那一套时间系统是相容的。更深远的意义在于，它不止是验证，还成了新锚点。这个28.07亿年的测年结果现在本身就成为了一个新的绝对年龄锚点，可以反过来进一步校正陨石坑模型，使之更加准确。

虽然嫦娥六号带回来的只是一堆不起眼的月壤，但这些微小颗粒却揭示了数十亿年间宏大的太阳系演化故事。

参考文献

[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：科普中国

作者：地星引力（科普创作者）

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