100小时完成定年！这个团队在《科学》揭秘月背火山活动

 

2024年6月25日，当嫦娥六号带着1935.3克月背样品抵达地球之日起，全世界都在等待它揭开它的神秘面纱。

8月24日，中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所（以下简称广州地化所）研究员徐义刚带着30多个平均年龄30出头的年轻人，接过其中的3.5克月壤，开始了一次与时间赛跑的历程。

4天完成测年，20天完成论文投稿，在不到3个月之后的11月15日正式登上《科学》。徐义刚说，这份迫不及待的背后，是来自全球读者对“月之暗面”的无限好奇与遐想。

月球背面到底有什么？这一次，中国科学家终于用实测数据回答了这个问题。

月背样品包含28.3亿年前玄武岩

对于一群年轻人来说，第一次拿到月背样品的刺激就像触电一样，月背样品对于所有人来说都是全新且未知的，而给样品定年是所有研究工作的起点。

广州地化所高级工程师张乐说，嫦娥六号探测器着陆于月球背面的南极-艾特肯盆地，它是月球上最大、最深且最古老的盆地。该区域地质结构复杂，样品种类多样，是研究月球火山活动的天然实验场。而复杂的来源与成因同时也对分析测试手段提出了新的挑战。

开展年代学工作便是首当其冲的任务，这也是广州地化所工程师崔泽贤“大展拳脚”的领域。

“我们采用了超高空间分辨率‘铅-铅’定年技术，对样品中小于5微米的含锆矿物进行了测年，同时将微区‘铷-锶’定年技术用于月球样品的定年工作。”崔泽贤兴奋地说道：“最终标定出嫦娥六号低钛玄武岩的喷发年龄为28.3亿年。”

“这是来自月背的第一个确切的年代学数据。”徐义刚告诉《中国科学报》，Apollo、Lunar带回的正面月样年龄都在30亿年以前，嫦娥五号将这一年龄推后到了20亿年前，“月背样品的测年填补了中间长达10亿年的空白，也意味着月球背面同样存在着年轻的岩浆活动。”

论文合作者、中山大学大气科学学院教授肖智勇在接受《中国科学报》采访时谈到，在没有得到月背样品之前，行星地质学领域一般利用遥感影像，获取撞击坑大小-频率分布信息，耦合已有采样点的定年数据，建立月球撞击坑年代模型，从而推测不同月海玄武岩的年龄。

“有了最新的月背样品定年，弥补了月球撞击通量研究在～32–20亿年间缺乏样品标定的空白。”肖智勇表示，这一年龄更新了此前广泛使用的撞击坑统计定年曲线。新获取的撞击通量模型首次以样品年龄为约束，证明月球的撞击通+量经过早期快速衰退后，在28.3亿年前已达到整体稳定的状态，这是地月体系撞击历史研究的重要进展。

100小时完成定年工作

为了得到这一定年数据，团队曾面临一项极限挑战。

待测的样品需要从嫦娥六号样品数以万计的玄武岩颗粒物中挑选出可用于测年的代表性岩屑颗粒即含有可用于分析的含锆矿物。嫦娥六号样品中的这类矿物通常小于5微米，且数量极少，。

“就像在一堆黑面粉中挑出肉眼看不到的几粒白面粉。”崔泽贤形容筛选的过程，还需要科研人员在电子显微镜下对细如发丝的微米级物质进行结构分析、矿物识别和成分量化。

对此，团队成立了四个小组，24小时轮班接力，最终经过100小时完成了这项工作。

而数据的精度还与测试仪器息息相关。对于常规的地球岩石样品来说，定年测量尺度大致在10-30微米之左右，然而这种分析尺度对于嫦娥六号样品的分析任务而言是远远不够。

早在2013年，徐义刚引进了一台大型磁质谱——二次离子质谱仪，使地化所成为国内极少数能将同位素测量尺度降低至5微米以下的机构。

事实上，在十年后的今天，当年那台大型仪器像是一杆“老枪”，跟目前最先进的设备相比，它已略显“疲态”。“拥有质谱仪只是基础条件，更重要的是对仪器性能的熟悉和把握。”徐义刚认为，如何把一台老仪器的功能发挥到极致，取决于科研技术人员长年累月的精心“调教”。

这支年轻的团队和这个工作“搭档”无疑经受住了此次科研任务的巨大考验。

为破解月球二分性之谜提供启示

月球上的玄武岩直接反映了月球过去活跃的岩浆活动，为了解月球内部结构及其热演化历史提供了重要的线索。通过分析嫦娥六号带回的月壤样本中的玄武岩成分，科学家可以进一步探究月球岩浆活动的特征以及月球地质演化的历史。

月球的二分性是月球科学的基本问题，它指的是月球的正面和背面在形貌、月壳厚度、重力场、物质组成以及岩浆活动等方面存在显著差异。例如，90%以上的月海玄武岩分布在月球正面的各大撞击盆地内，而月球背面的月海玄武岩却十分匮乏。

徐义刚说，传统观点认为，月球背面的月壳较厚，抑制了月海玄武岩喷发，从而导致月球正面和背面的月海分布不对称。“可是，月背南极-艾特肯盆地的月壳很薄，月海玄武岩依然稀少，这一问题始终无法解答。”

此次研究团队在对玄武岩屑中的斜长石和晚期填隙物的分析发现，嫦娥六号低钛玄武岩具有一个不含克里普物质、十分亏损的月幔源区。“月幔源区越亏损，岩浆就越难以发生熔融，这就导致盆地内缺乏大规模的月海玄武岩。”徐义刚解释，研究首次提出，月球岩浆活动除受月壳厚度影响外，月幔源区的物质组成也是重要的控制因素。

而南极-艾特肯盆地之所以成为一个十分亏损的月幔源区，是因为它在约43亿年前左右经历了十分重大的行星撞击事件，导致大量背面物质被撞至正面，从那时起，月球背面的演化就与正面呈现了不一样的面貌。

“因此，此次对嫦娥六号样品的研究，进一步厘清了月球正面和背面物质组成的差异，也为破解月球二分性之谜提供了启示。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adt1093