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重磅!中科院月壤研究取得突破性成果,登上《自然》雜志封面

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2025 年 7 月 9 日,中國科學(xué)院的科學(xué)家們向全世界發(fā)布了 4 個關(guān)于月球的重磅研究成果,這些成果以封面文章的形式,發(fā)表在了國際頂級的學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。


《nature》封面雜志

4 項研究分別揭示月背巖漿活動、月球古磁場、月幔水含量及月幔演化特征,首次為人類揭開了月球背面的演化歷史。

這些研究,第一次系統(tǒng)性地揭開了月球背面的神秘面紗,告訴我們那里曾經(jīng)發(fā)生過的驚天動地的故事。美國科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院教授本·韋斯(Ben Weiss)指出,這些突破性的成果足以改寫教科書。最神奇的是,如此重磅的研究成果,竟然是通過研究月壤而得出的。

看到這里,你有沒有感覺到一點小小的震驚?

2024 年 6 月,我們的嫦娥六號飛船帶著 1935.3 月壤從月球返回地球。這些月壤比較松散,體積與一瓶兩升的大瓶可樂差不多少。就是這瓶從月球上挖回來的,重量還不到兩公斤的土,怎么就能包含那么多驚人的信息呢?而科學(xué)家又是怎么從月壤當中,把這些信息挖掘整理出來的呢?


01巖漿“時鐘”:鎖定巨型盆地的年齡密碼

我們知道,通過放射性同位素定年法,可以測定巖石的年齡。如果一塊巖石被融化成巖漿,那么它里面的放射性同位素分布就會被打亂,巖石內(nèi)部的晶體也會重新形成。這就好像是一次時鐘重啟一樣。這樣,就讓科學(xué)家們可以推斷出一塊巖石最后一次從巖漿冷卻變成巖石的時間點了。



在月球形成早期,一顆巨大的小行星撞擊了月球,撞擊能量相當于原子彈爆炸的一萬億倍。這次撞擊,就形成了月球上最大、最古老的撞擊坑:南極艾特肯盆地。嫦娥六號的樣品就采自這里。而這里因為劇烈撞擊而形成的特殊巖石,也被命名為月球南極艾特肯盆地撞擊熔巖。通過給這種巖石檢測年齡,科學(xué)家們第一次確定了這個巨型盆地的形成時間,那就是大約 42.5 億年前。

不僅如此,這顆撞擊在月球上的小行星,把月球過去好幾億年里火山噴發(fā)形成的層層疊疊的巖石一股腦地炸開,這些巖石碎屑也混雜在了月壤里,讓科學(xué)家深入研究早期月球的歷史成為了可能。

更令人驚喜的是,科學(xué)家還發(fā)現(xiàn),月壤中很多細小的火成巖顆粒,它們有的形成時間比大撞擊更早,有的則比大撞擊更晚。通過對這些火成巖顆粒的研究,科學(xué)家就把月球背面各個年代的巖漿活動研究清楚了。


02古磁場的“逆襲”:月球曾有過“第二春”
了解了月球巖漿活動之后,新的問題就來了。因為只要是有巖漿活動的星球,就都會存在磁場。那么遠古時期的月球,它的磁場是怎樣的呢?這個問題,也可以通過對月壤的研究來找到答案。

你可以想象一下,當巖石熔融成為巖漿之后,巖漿里的含鐵礦物就像指南針一樣可以自由旋轉(zhuǎn)了。在磁場的影響下,所有的小指南針都會齊刷刷地指向當時磁場的方向。等到巖漿冷卻之后,這些小指南針的方向就固定了下來。它們就像是幾十億年前月球磁場化石一樣,忠實地記錄了當時磁場的方向和強弱。

科學(xué)家們就是通過分析嫦娥六號樣品里這些火成巖中的小指南針,首次獲得了月球背面的古磁場信息。他們還發(fā)現(xiàn)了一個特別有意思的現(xiàn)象:月球的磁場并不是像我們以前想的那樣,慢慢地、單調(diào)地減弱消失。而是在大約 28 億年前,發(fā)生過一次反彈,強度又變強了。這就好像一個快要沒電的手電筒,突然又亮了一下。這個發(fā)現(xiàn)告訴我們,月球內(nèi)部的巖漿活動,可能比我們想象的要復(fù)雜得多。


03“干渴”的背面:月幔含水量的驚人差異
了月球磁場之謎,我們再來深入第三個問題,那就是月球到底有多少水?當然,對于干燥的月球來說,我們這里說的水并不是江河湖海中的那種自由流動的水。月球上的水,都是鎖在巖石礦物里的晶體結(jié)構(gòu)的水。科學(xué)家會把月球樣品放在一個高度精密的儀器里,小心翼翼地給它們加熱。當溫度升高時,那些被鎖在礦物內(nèi)部的水分子就會變成水蒸氣釋放出來。通過精密儀器的探測,就能計算月壤的含水量了。


圖源:新華社

通過這種方法,科學(xué)家們第一次獲得了月球背面月幔的水含量數(shù)據(jù)。結(jié)果令人驚訝:月球背面的月幔,比我們之前研究過的月球正面的月幔,要干燥得多!具體來說,嫦娥六號帶回的玄武巖顆粒中,含水量只有 1.5 微克/克。而月球正面同類巖石的含水量均值可以達到 7 微克/克。所以說,這個發(fā)現(xiàn)的意義非常重大。


04被“擰干”的月幔:揭秘月球“二分性”成因

我們以前已經(jīng)知道,月球正面和背面在形態(tài)、成分、月殼厚度等方面很不一樣。而新的研究告訴我們,月球的正面和背面的含水量、巖漿活動也存在巨大差異,這就是經(jīng)典的月球的二分性之這一次,對月壤的第四項研究,就對解開二分性之迷有重大幫助。

科學(xué)家們通過對嫦娥六號帶回來的玄武巖進行化學(xué)成分分析,發(fā)現(xiàn)它們來自一個月幔里一個非常貧瘠的區(qū)域。這里的貧瘠并不是說它缺少養(yǎng)分,而是說它缺乏一些特殊的元素,比如鉀、磷以及各種稀土元素。在行星科學(xué)里,這些元素有一個外號,叫不相容元素。為什么叫這個名字呢?因為它們天性活潑,不喜歡待在固體的晶體里,總想往液體的巖漿里跑。

而嫦娥六號樣品所來自的那個月幔區(qū)域,就像是一塊被人用力擰干了的海綿,里面幾乎所有的湯汁都被擠出去了。剩下的這塊海綿,自然就變得非常貧瘠。那么問題來了,是什么樣的力量,能把月幔這塊巨大的海綿擰干呢?

中國科學(xué)院的科學(xué)家們提出了一個非常大膽,也很有說服力的解釋。他們認為,罪魁禍首,就是形成南極艾特肯盆地的小行星撞擊。這次劇烈的撞擊,把整整四分之一個月球變成了一片巖漿海。這樣,月幔里的不相容元素就大量進入巖漿,導(dǎo)致了如今我們今天看到的超虧損狀態(tài)。這個過程,不僅帶走了元素,也可能帶走了大量的水分,這也就解釋了為什么月球背面的月幔會那么干燥。


南極-艾特肯盆地

關(guān)于月幔演化的研究,就像是月球地質(zhì)拼圖中最關(guān)鍵的一塊,它把月球背面的巖漿活動、水含量、以及巨大的撞擊歷史,完美地串聯(lián)了起來,為我們破解月球二分性之迷,提供了最有力的證據(jù)。

這條關(guān)于月壤研究的新聞給了我們一個啟發(fā),那就是科學(xué)研究非常關(guān)注的一件事情,就是信息。那些發(fā)生在月球上的古老地質(zhì)事件,它們在發(fā)生的時候,在月球的巖石中留下了大量信息,而這些信息隨著巖石的破碎、太陽風(fēng)的沖擊,最終形成了現(xiàn)在的月壤。只要信息沒有丟失,科學(xué)家們就能想出辦法還原它們。

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