月球最“贫瘠”的岩浆，却讲述了一个掏空月球内部的巨大撞击故事
2024年6月25日，嫦娥六号成功将来自月球背面的样本带回地球，这是人类历史上首次从这一永远背对地球的未知世界获取实物证据。一年来，中国科学家围绕这批月背样品开展了系统研究，其中有四项成果登上《自然》杂志封面，分别涉及月球的岩浆活动、古磁场、地幔含水量与深部成分演化。
在前一篇文章《来自嫦娥六号的月壤样本，揭示出月球背面的滚烫岁月》中，我们已经知道，嫦娥六号带回的月球背面样本揭示了月球背面在28亿年前仍存在活跃火山喷发。然而，除了火山活动的时间线，这批样本还透露出一个更深层的秘密：它们的岩浆原料库——月球地幔，似乎在遥远的过去，经历过一次足以掏空深部成分的巨型撞击。
这次研究所分析的岩石样本，来自一个特殊的“撞击嵌套区”——阿波罗盆地。它是一个直径约500公里的撞击坑，但更引人注目的是：它本身就处在一个更庞大的撞击盆地内部。这个更大的撞击结构，就是著名的南极–艾特肯（South Pole–Aitken，简称SPA）盆地，是目前已知太阳系中最大、最古老的撞击盆地之一。它的直径达到约2500公里，远远超过月球本身1737公里的半径，深度则在6.2至8.2公里之间。
图中黑色圈即为南极–艾特肯盆地的范围，紫色部分表示低海拔地区，紫色越深，海拔越低
（图片来源：Wikipedia）
嫦娥六号的采样区域
（图片来源：参考文献[1]）
科学界普遍认为，SPA大概形成于43亿年之前。而且这样规模的撞击，不仅仅只是“砸出了一个坑”那么简单，它更有可能将月球部分地幔区域直接掏空或熔化，使深部物质得以裸露或上涌。因此，在这一区域，找到直接来自月幔的岩石样本的概率非常高。
嫦娥六号带回的样本中，确实包含了大量由地幔岩浆冷却形成的玄武岩碎片。这些碎片的形成时间被测定为大约28亿年前。研究人员通过分析这些岩石中的锶（Sr）、钕（Nd）等微量元素及其同位素特征，发现它们代表的岩浆来源具有极度亏损的地球化学特征。
要理解“极度亏损”这个词，首先需要知道，几乎所有火成岩（包括玄武岩）都是由高温岩浆冷却结晶而成的。随着岩浆逐渐冷却，内部的元素和矿物开始按顺序结晶析出。这个过程虽然涉及复杂的物理和化学机制，但我们可以用初中学过的知识来简单理解。
我们知道，任何物质在不同温度下可以呈现出固态、液态和气态三种形态。比如水有冰、水和水蒸气；铁也有铁蒸气、铁水和固态铁。当温度降低时，物质会在特定的温度下从液态变为固态，这个温度点就是熔点。
而岩浆就像一锅由多种矿物成分混合而成的“高温汤”。不同成分的熔点不同，熔点高的会先“结晶沉淀”——也就是变成了固体，熔点低的则留在后面继续参与后续演化。
为了简单起见，我们可以把岩浆想象成只由两种成分组成：一种像铁，熔点高；另一种像某种轻盈的盐，熔点低。当岩浆冷却时，铁先从液体中结晶析出沉到底部，而盐类成分则继续留在剩余的液体中。
如果这种过程不断重复——岩浆先结晶一部分、剩余液体又继续结晶下一部分——那么，岩浆中那些容易结晶的元素就会逐渐消失，留下来的岩浆成分就会越来越贫乏。
地质学家正是通过研究这种贫乏程度，来推断岩浆经历了多少次提取、冷却，甚至追溯它是否来自一个已经被“榨干”的地幔。
换句话说，先沉淀出去的，是那些容易结晶的大颗粒矿物和高温元素。每一次结晶，都会从岩浆中带走一部分成分。而剩下的岩浆，就越来越“稀”，逐步失去原始的复杂性。
如果这一过程反复发生，那么最终留下的残余岩浆，其成分就会显著不同于最初的状态。这种现象，就被称为地幔的成分亏损，也是我们理解岩浆演化与地幔历史的一个重要线索。
通过美国的阿波罗任务，科学家就已经认识到了月球地幔物质是不均匀的：有些区域的地幔并不亏损，但有些区域却存在极度亏损的情况。这次带回来的月背样本则是目前发现的亏损状态最严重的样本。
关于月球地幔的亏损，科学家们提出了两种解释。
科学家提出的第一种可能，是这些岩浆源自月球早期的岩浆洋残余地幔。
在月球形成后的最初阶段，它的内部处于一种高度炽热、几乎完全熔融的状态，形成了一个全球性的岩浆海洋（Lunar Magma Ocean, 简称LMO）。随着温度下降，岩浆洋逐渐冷却结晶，沉淀出一层又一层的矿物，就像汤里的材料一点点沉到锅底。
而最早结晶出来的，是一些富含铁镁的矿物，这些矿物带走了大量稀土元素以及钾、磷等成分，最后形成的，是一种极度贫瘠的深部地幔残余。
如果嫦娥六号带回的这些玄武岩，就是从这种残余地幔熔融而来，那么它们的极度亏损就可以理解为先天形成的遗传特征——生下来就贫瘠。
另一种解释则认为这种亏损并不是天生的，而是经历了一场巨大的撞击事件。
正如前文所说，嫦娥六号的着陆点正好处在南极–艾特肯盆地（SPA）内，这是月球上乃至整个太阳系中最大、最古老的撞击盆地之一。模拟研究表明，这样规模的撞击可能在月球内部激起剧烈的熔融和物质提取，特别是在地壳与上地幔交界的区域。
这意味着：这场撞击不仅打出了一个深坑，还可能从上地幔中抽走了大量岩浆成分，留下了一块被抽干的地幔残片。而28亿年后，正是这块残片中的残余岩浆，再次冷却形成了嫦娥六号样本中这些极度亏损的玄武岩。
换句话说，这些岩石就是这一次巨大撞击事件在地球化学层面的证据。
巨大撞击事件形成亏损地幔物质的过程
（图片来源：参考文献[1]）
这两种解释目前都没有被完全排除。论文作者甚至指出，这两种机制可能并非互斥：即便月球早期存在一个天然的亏损地幔，SPA撞击也可能进一步加剧了它的贫瘠状态。
但无论是哪种机制，这项发现都指出：月球内部的演化过程，远比我们此前的理解更加复杂。更重要的是，它提示我们——撞击事件这种看似偶然的外力，可能在行星内部结构与成分演化中扮演了比以往认为更重要的角色。这一机制，或许并不只属于月球，也可能同样适用于太阳系内其他岩质行星的早期历史。
如今，嫦娥六号带回的这批月球背面样本，它们所承载的地质密码正被逐步揭开。通过对这些岩石中微量元素与同位素的分析，科学家不仅重建了一段发生在28亿年前的岩浆活动，更顺藤摸瓜，追溯到了它们可能的地幔来源——一个在早期月球形成或撞击事件中，经历过岩浆抽离的极度亏损区。
或许，太阳系中那些岩石行星的地幔深处，也都藏着类似的“撞击回声”。而这些答案，仍在等待更多样本、更多探测任务的验证。
参考文献
[1] Zhou Q, Yang W, Chu Z, et al. Ultra-depleted mantle source of basalts from the South Pole–Aitken basin[J]. Nature, 2025, 643(8071): 371-375.
出品：科普中国
作者：地星引力（科普创作者）
监制：中国科普博览
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