科研
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2024年6月2日，我国嫦娥六号探测器成功着陆于月球背面南极-艾肯盆地（South Pole-Aitken basin；SPA），采集并返回了1935.3g月球样品，成为人类历史上首次月球背面样品返回任务。SPA盆地形成于约43亿年前，是月球上最大、最深、最古老的撞击盆地，其形成过程可能挖掘出上月幔物质。自形成以来，SPA盆地经历了多个大型撞击事件、多期次火山活动、以及太阳风与微陨石长期轰击等多种地质过程的改造。嫦娥六号着陆点位于SPA盆地东北部的Apollo盆地南部一个年龄为28亿年的月海玄武岩单元，采样区不同来源的物质记录了月球演化历史中的重大地质事件。因此，对嫦娥六号样品的实验室测量与分析能够回答关于月球演化的一系列重大科学问题，例如，月球正面/背面非对称性、月球早期撞击通量与年代学、月幔与月壳的成分与结构、月球背面火山活动历史、月表空间风化机理、月壳磁异常等。
嫦娥六号采样区地质背景复杂，月壤样品中既含有本地玄武岩，又包括成分多样的外来物质，准确理解样品的来源与演化历史是样品实验测量结果分析和解译的前提。北京大学地空学院法文哲研究员课题组基于多源遥感观测和月壤时空演化三维模型，建立了嫦娥六号样品的源撞击坑数据库，系统分析了嫦娥六号着陆区月壤的形成、增长、迁移与熟化过程，建立了嫦娥六号样品与区域地质演化历史的联系，给出了样品的“前世”。若与实验室测量得到的样品“今生”相结合，将有助于回答月球演化相关的系列重大科学问题。主要研究内容与成果包括：
图1 嫦娥六号样品源撞击坑分布：（a）全月尺度（b）南部月海附近（c）着陆点附近
嫦娥六号样品来源
基于遥感观测和撞击坑溅射物厚度分布模型，课题组首先估算了全月尺度的撞击坑在嫦娥六号着陆点的溅射物厚度，从全月表超过120万个直径大于1km的撞击坑中初步筛选了1809个源撞击坑。综合利用多种撞击坑定年方法（撞击坑大小-频率分布、退化状态、溅射毯H参数、以及地层交切关系），在全月尺度最终厘定了15个对采样区月壤有显著贡献的源撞击坑。在Apollo盆地南部月海周围，共识别了94个溅射物厚度大于0.1mm的主要源撞击坑。特别地，课题组目视识别了着陆点附近1.15km范围内1565个撞击坑，并基于坑内反照率差异估计了其相对年龄。最终，建立了不同尺度范围内（全月尺度、南部月海和着陆点附近）共1674个源撞击坑数据库，它们在着陆点的累积溅射物厚度为53.415.7cm。
基于Maxwell Z模型，课题组计算了所有源撞击坑成坑过程中溅射物的运动轨迹，估算了能够到达嫦娥六号着陆点的溅射物的源区深度。以对着陆点月壤贡献最大的Chaffee S撞击坑为例，其溅射物厚度约15.34.6cm，最大源区深度为1.01+0.5—0.40km（图2a）。在所有源撞击坑中（图2b），位于着陆点20km内撞击坑的溅射物源区深度小于本地玄武岩厚度（60—75m），主要代表本地月海物质；20km外的月海撞击坑能够穿透表层玄武岩，挖掘出更古老期次的玄武岩或阿波罗盆地物质。高地撞击坑的溅射物源区深度最大可达3km，能够挖掘斜长岩月壳或SPA盆地形成过程中所挖掘出的月幔物质。这些源撞击坑位于不同的月球地质单元，将不同深度的物质挖掘、溅射至着陆点，增加了嫦娥六号样品的多样性。
图2（a）Chaffee S撞击坑挖掘流场示意图（b）所有源撞击坑的溅射物厚度与源区深度随距离的变化关系
着陆区月壤演化历史
基于课题组前期开发的月壤演化三维仿真模型，以上述源撞击坑和产率函数作为模型输入，系统模拟了着陆区玄武岩形成后持续撞击和空间风化过程驱动下月壤的形成、增长、迁移与熟化过程（图3）。结果表明，着陆区月壤厚度呈长尾分布，中值约为3m（图3c），月壤增长速率随时间逐渐降低，反映了自缓冲趋势（图3d）。若考虑高度退化以致消失的撞击坑，则样品中预计含有约93.3%的本地玄武岩，以及6.7+1.4—1.5%的外来非月海物质；若仅考虑遥感观测的现有撞击坑，则外来物质含量可高达57.6%。样品中实际外来物质占比介于二者之间，取决于着陆点的局域撞击历史。进一步，以Kaguya多光谱相机数据获得的所有源撞击坑的化学成分（FeO、TiO2与Mg#）作为模型输入，预测了嫦娥六号着陆点次表层的元素丰度（图4）。结果表明，外来物质主要集中于月表以下约2.5—3m深的区域，很可能对应于Chaffee S，Lovell，Vavilov等撞击坑的溅射物；在1m的采样深度内，主要为哥白尼纪年轻撞击坑（如Finsen C、Das、O’Day）的溅射物。
图3 嫦娥六号着陆区模拟结果示例：（a）表面高程（b）月壤厚度（c）月壤厚度直方图（d）月壤厚度增长过程
图4 嫦娥六号着陆点次表层FeO、TiO2与Mg#剖面结构
当月壤颗粒暴露于月球表面时（深度<1mm），会受微陨石轰击与太阳风辐照的影响，不断积累空间风化产物而逐渐熟化。月壤的累积暴露年龄是衡量成熟度与空间风化速率的关键指标。仿真结果也估计了着陆区不同位置、不同深度月壤的累积空间暴露年龄（图5）。随着深度增加，月壤颗粒的暴露年龄逐渐减小，表面的暴露年龄为2.1+1.1—0.9Myr，40 cm深度处降至1Myr，而1m以下则小于0.25Myr。月壤颗粒的成熟度随深度不断降低的趋势与Apollo 15、16样品测得的Is/FeO变化规律一致。考虑到成熟月壤的暴露年龄一般大于1Myr，浅表层的铲取样品预计为成熟月壤，而深部钻取样品则为亚成熟或未成熟月壤。
图5 （a）不同深度月壤的暴露年龄模拟结果示例（b）嫦娥六号着陆点次表层暴露年龄剖面
对嫦娥六号样品分析的启示
上述结果揭示了嫦娥六号样品的多样性，通过与实验室样品分析相结合，有助于回答一系列有关月球演化的关键科学问题，包括月幔成分、月球磁异常、SPA地体的层序与演化、月球撞击历史等。在所有的源撞击坑中，Finsen C撞击坑的Th元素丰度（3.4ppm）明显高于背景值，很可能反映了SPA盆地形成过程中所挖掘的富含克里普的上月幔物质，可以为样品中幔源物质的搜索提供参考。O’Day撞击坑位于SPA盆地的西北部，位于月球磁异常和旋涡区域，其溅射物最深来自2328.7+1541.3—964.8m，可用于约束月壳磁源的深度范围，进而对磁异常机理提供启示。本研究所建立的1674个源撞击坑数据库，可以为样品中外来岩屑溯源提供重要参考。将外来溅射物的源区位置、深度与样品测量结果相结合，能够对SPA地体的层序结构给出估计；将外来岩屑定年结果与源区撞击坑密度结合，可以为月球年代学函数提供新的锚点。
另一方面，月壤中空间风化产物受微陨石与太阳风通量以及累积暴露年龄共同控制。受地球磁尾的影响，月球正面与背面的太阳风通量具有显著差异，而撞击通量则差异较小。因此，嫦娥六号样品为研究空间风化的速率与机理提供了绝佳机会。结果表明，嫦娥六号着陆点月壤的暴露年龄为2.1+1.1—0.9Myr，高于嫦娥五号（1.5+0.7—0.4Myr），这与光学成熟度的遥感观测结果一致。考虑到嫦娥六号着陆点的平均太阳风通量比嫦娥五号着陆点高25%左右，若太阳风辐照是空间风化的主导因素，则嫦娥六号样品的空间风化程度将显著高于五号样品。通过与样品分析结果比较，能够估算月壤成熟速率，同时深化对空间风化机理的认识。
上述研究成果于4月7日发表于国际著名期刊Nature Astronomy，地空学院博士生张洺玮为论文第一作者，法文哲为通讯作者，博雅博士后贾博钧参与了相关工作。本研究受到国家自然科学基金项目的资助。
2025年1月，北京大学成立了地外样品研究中心，旨在发挥北京大学在多个基础学科方面的优势，针对地外样品开展跨学科的研究，为国家深空探测战略贡献力量。目前，该中心已经成功申请到了嫦娥六号第一批样品，本项目研究成果将为嫦娥六号样品的跨学科研究提供指导与帮助。
本文链接：http://knowith.com/news-3-2239.html地球与空间科学学院法文哲课题组揭示嫦娥六号月球样品源区与演化历史
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