陈景有、张乐、徐义刚等：嫦娥六号月壤揭示啥？约41.6亿年前月球秘密

摘要： 科研进展,中国科学院广州地球化学研究所,中国科学院...

月球诞生阶段遭遇过猛烈的天体撞击，地表大量存在的巨大撞击构造（横跨超三百公里）是这一地质现象的显著证据。这些巨大撞击构造密集出现的时段被称作月球后期密集撞击期（LHB），其核心在于揭示了月球遭受撞击的频率发生了显著改变。对于LHB阶段月球遭遇陨石撞击的强度演变，学界始终存在两种互相对立的看法：一是陨石撞击的强度自月球形成以来一直缓慢减弱，二是陨石撞击的强度在约38至40亿年前突然增强。造成这种分歧的根本原因在于，月球上多数撞击坑的精确放射性同位素形成时间难以确定。嫦娥六号采集样本的位置位于直径为540公里的阿波罗盆地，该盆地是月球南极-艾特肯盆地中规模最大的次级撞击构造，它的形成时间或许能够指示长谷古期事件的起始时间，因此，准确测定这个盆地的形成时间，对于解开长谷古期之谜至关重要。

图1 嫦娥六号月壤中识别出的三颗KREEP岩屑

月球岩石在遭遇撞击时会形成高温熔体，这些熔体冷却结晶后便构成一种特殊岩石，即撞击熔融岩石，它被视为揭示月球撞击历程的最佳参照物。借助对这类岩石的精密测定，可以推断出Apollo盆地的生成时间。中国科学院广州地球化学研究所月球样品研究团队中的陈景有博士后、张乐高级工程师等，在徐义刚院士的带领下，与大湾区研究团队，包括中山大学肖智勇教授和香港大学钱煜奇博士，以及国际合作伙伴共同合作，从3.5克嫦娥六号月壤样品里，发现了三枚撞击形成的熔融岩石碎片，具体情况如图1所示。这些岩石碎屑的直径介于150到350微米之间，展现出细粒嵌晶-斑状构造，含有高比例的铁镍金属（Co/Ni比值在11.2至14.6之间），并且冷却速度变化很大，成分也不均匀，同时它们还大量聚集了不相容元素（参见图2a-c），其锶同位素组成与KREEP岩石的演化特征相符，这种岩石富含钾、稀土以及磷等不相容元素（见图2d）。因此本次发现的这三颗岩屑为富KREEP撞击熔融岩石。

图2 三颗撞击熔融岩屑的微量元素成分以及Sr同位素组成。

科研小组借助离子探针手段检测了两个岩芯样本里的锆质矿物、磷灰质矿物以及各类硅酸盐矿物，测定出极为接近的铅铅定年数据，分别是4164±7亿年和4184±40亿年，计算得出平均加权结果为41.6亿年，极有可能标志着一桩规模宏大的天体撞击事故的发生时日。

图3  最左侧Pb-Pb等时线年龄。

嫦娥六号采集样本的位置在南极-艾特肯盆地的阿波罗盆地里面，因此先前测得的撞击年龄很可能是该艾特肯盆地或阿波罗盆地的形成时期。不过，根据目前的样本检测和撞击坑数量分析，艾特肯盆地的形成时间要早于42亿年。所以，这项研究考察的年纪较轻的撞击熔体碎片（大约4.16亿年前），极有可能反映了阿波罗盆地的形成时间。这三块岩屑的KREEP特性表明，它们是阿波罗撞击盆地形成过程的遗留物。SPA撞击盆地内部KREEP物质，据信源自三个方面：一是雨海盆地撞击对跖点抛射物，二是SPA撞击事件本身揭露的深部月球岩浆洋遗留物质，三是SPA撞击熔融池的分离物质。这项研究测得的撞击时期（4.16亿年前）明显比雨海盆地的形成时间（约3.9亿年前）要早，同时比预估的SPA形成时期要晚，因此可以排除前两种成因。热化学模拟的结论表明，SPA撞击熔融池或许曾经历过类似月球岩浆洋的结晶作用，这造成晚期分离的残余物质呈现出近似KREEP的化学属性。对地貌的考察揭示，在阿波罗盆地形成之前，部分由SPA撞击熔融池分异出的KREEP物质已经散布在Apollo盆地区域内，参见图4a。所以，当阿波罗盆地形成时，该区域原先存在的KREEP物质不可避免地会遭受改变，从而构成新的具有KREEP特征的撞击熔体。最终，Chaffee S撞击活动把阿波罗任务形成的富KREEP岩石运到了嫦娥六号着陆点，参见图4b。

图4 展示了嫦娥六号采集的月壤样品里富集钾稀土和磷的熔融岩石形成机制示意图。

利用遥感资料、地球化学资料、岩石学特征以及着陆区地质背景等综合信息，这项研究确认了阿波罗盆地形成于大约41.6亿年前，这一成果为认识太阳系晚期重轰击事件提供了两个新的启示。首先，根据撞击坑数量统计的分析显示，阿波罗盆地的形成时间稍晚于酒海盆地的形成时间（图5）。酒海盆地通常被视为大角星撞击事件的最初标记，这一发现使大角星撞击事件的开始时间更加精确地定位于41.6亿年之前。其次，对撞击频率的研究表明，在撞击事件期间，撞击频率逐渐降低，这与灾变说（38至40亿年间撞击频率急剧上升）的观点相悖。

图5 晚期重轰击（LHB）期间月球撞击通量的变化模式图

项目获得资助，来源于中国科学院，批准编号为ZDBS-SSW-JSC007-11，此外还有中国科学院广州地球化学研究所的月球研究项目，其批准号为2022SZJJZD-03，同时还包括中国科学院与香港地区共建的“化学地球动力学联合实验室”，编号为JLFS/P-702/24。

论文信息：

中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士的研究团队，协作了粤港澳大湾区内的科研机构（中山大学、香港大学）以及国际上的合作者（英国曼彻斯特大学、美国布朗大学和圣母大学），对嫦娥六号返回的样品里撞击熔融的岩屑进行了深入的研究，成功识别出嫦娥六号采集的地点所在的阿波罗盆地，其形成时间大约是在41.6亿年前，为探究太阳系早期的撞击背景，提供了极为重要的时间基准。

这项研究题为《4.16亿年前阿波罗盆地撞击重塑的南极-艾特肯盆地中的KREEP类岩石》，于2025年8月20日北京时间在《自然·天文学》期刊星在线发布。

论文的第一作者同时是两位，一位是来自中国科学院广州地球化学研究所的陈景有博士后，另一位是张乐高级工程师，他们共同担任第一作者的身份，而徐义刚院士则担任通讯作者的角色。