自月球形成以來(lái)，小行星撞擊是其最主要的外動(dòng)力地質(zhì)過(guò)程，塑造了遍布月表的撞擊坑與盆地，顯著(zhù)改變了月表的形貌與化學(xué)組成。 近日，我國科學(xué)家通過(guò)對嫦娥六號采集的月球背面樣品的高精度鉀同位素分析，揭示了大約42.5億年前南極-艾特肯盆地撞擊事件對月球演化的影響：這次撞擊不僅砸出了月球上最大的坑，還導致月幔中等揮發(fā)性元素丟失。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員田恒次說(shuō)，大約在42.5億年前，月球遭到了一次大撞擊，形成了月球背面的南極-艾特肯盆地，簡(jiǎn)稱(chēng)為SPA。
田恒次：月球可能是45億年前左右形成的，大概到42.5億年前，這個(gè)時(shí)候月球的背面經(jīng)受了一個(gè)非常大的撞擊，這個(gè)撞擊根據現在的數值模擬研究，應該是大概長(cháng)度200~400公里的隕石，撞擊了月球的背面，形成了現在月球南極-艾特肯盆地。
然而，這次的大型撞擊事件是否以及如何影響月球深部，仍然不清楚。田恒次表示，根據此前的研究，這次撞擊對月幔的影響停留在數值模擬階段，缺乏直接的證據。
田恒次：這個(gè)撞擊它可能沒(méi)有那么大的能量能夠穿透月殼，影響月幔。但是SPA作為月球上最大的撞擊盆地，前人提出了一種觀(guān)點(diǎn)說(shuō)月球上的這個(gè)大的撞擊盆地它不但撞了月殼，甚至對月幔也產(chǎn)生了一個(gè)非常明顯的影響，這種巨大的沖擊很可能會(huì )使月球的正面和背面產(chǎn)生成分的差異，還有它一些生熱元素的差異，包括火山活動(dòng)。但是這個(gè)工作一直停留在數值模擬的階段。
嫦娥六號任務(wù)采集了月球最大的撞擊盆地——南極-艾特肯盆地的樣品，為研究南極-艾特肯大型撞擊事件及其效應提供了關(guān)鍵樣品。田恒次長(cháng)期從事同位素的研究，這次為了搞清楚撞擊事件對月幔的影響，他的團隊將研究對象瞄準了鉀元素和鉀同位素。
田恒次：元素種類(lèi)很多，有一些元素包括鐵、鎂這些元素特別穩定，在撞擊的時(shí)候，它有可能會(huì )保持不變。還有一些元素就是中等揮發(fā)性的元素，包括鉀、銅、鋅。還有一種就是易揮發(fā)的元素，包括硫、氯等，這些元素更容易揮發(fā)。我們考慮到鉀元素在玄武巖當中，在中等揮發(fā)性元素、揮發(fā)性元素里面，它的含量是最高的。所以在分析起來(lái)的時(shí)候，相對比其他元素，它的樣品的消耗量會(huì )稍微低一點(diǎn)。
此外，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所先進(jìn)的儀器有利于得出高精度的鉀同位素數值。高精度同位素分析能夠通過(guò)測量同位素比值的微小變化，精準捕捉撞擊事件留下的信息。其中，中等揮發(fā)性元素的同位素體系具有特殊的研究?jì)r(jià)值——這些元素在撞擊產(chǎn)生的高溫條件下易發(fā)生揮發(fā)與分餾，它們的同位素組成能夠靈敏記錄撞擊過(guò)程中的溫度、能量及物質(zhì)來(lái)源信息，是揭示撞擊規模、熱歷史及其對月殼和月幔物質(zhì)改造的關(guān)鍵“同位素指紋”。
綜合各方面考慮后選擇的鉀元素沒(méi)有讓團隊失望。研究團隊對毫克級嫦娥六號玄武巖單顆粒進(jìn)行了高精度鉀同位素分析。結果顯示，與來(lái)自月球正面的阿波羅樣品相比，嫦娥六號玄武巖具有更高的鉀-41/鉀-39比值。
田恒次：結果我們發(fā)現鉀它真的是比阿波羅樣品重0.16‰。那么，我們經(jīng)過(guò)了多方面的分析，排查了宇宙射線(xiàn)的照射作用，還有撞擊體的加入，以及巖漿過(guò)程等，發(fā)現這些過(guò)程它實(shí)際上并不能夠解釋嫦娥六號玄武巖的鉀同位素為什么重。最后，我們認為所有的證據都指向很可能跟SPA的撞擊有關(guān)。
團隊在排除了其他可能的原因后，證實(shí)撞擊事件改變了月幔的鉀同位素組成，造成鉀的虧損與同位素升高。在撞擊產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓過(guò)程中，較輕的同位素（如鉀-39）往往優(yōu)先逃逸，導致殘余物質(zhì)中同位素比值升高。田恒次表示，團隊還合理推測出，多種揮發(fā)分的丟失可能抑制了月球背面后期的火山活動(dòng)。
田恒次：我們猜測比鉀更容易揮發(fā)的那些元素，比如說(shuō)氯、硫，它很可能也會(huì )發(fā)生丟失，這些元素叫易揮發(fā)的元素，這些元素如果在一個(gè)巖石里面的含量降低的話(huà)，這些巖石后期可能會(huì )比原來(lái)不丟的時(shí)候更難發(fā)生熔融，所以它后期巖漿的產(chǎn)生量應該會(huì )降低，也就是說(shuō)，它的火山活動(dòng)可能會(huì )有所下降。
這一發(fā)現為理解月球正背面不對稱(chēng)的地質(zhì)演化歷史提供了關(guān)鍵線(xiàn)索。田恒次表示，接下來(lái)，他們還將對其他元素進(jìn)行高精度分析，以進(jìn)一步佐證這一推測。
田恒次：如果這個(gè)說(shuō)法成立的話(huà)，理論上應該在其他的揮發(fā)性元素要比鉀更弱一點(diǎn)。更容易揮發(fā)的，比如說(shuō)銅、鋅，理論上它們的同位素也應該有一個(gè)更明顯的變化，所以我們后面將對一些其他的揮發(fā)性元素進(jìn)行高精度的同位素分析，以交叉來(lái)驗證我們提出的這個(gè)假說(shuō)。
另一方面，對于嫦娥六號帶回的樣品同位素的研究也將更加深入，來(lái)揭示SPA大撞擊事件更多的奧秘。
田恒次：這些元素是在撞擊的什么時(shí)候發(fā)生的丟失的？這些元素丟失的時(shí)候，一共持續了多長(cháng)時(shí)間？丟失的時(shí)候是以什么樣的相態(tài)來(lái)丟失的？比如說(shuō)鉀元素的丟失，是以單質(zhì)鉀的形式丟失的，還是以氧化鉀、氯化鉀等方式，我們現在還不清楚。所以這是我們后面要開(kāi)展的研究工作，盡可能去恢復SPA盆地撞擊時(shí)候的過(guò)程。
監制丨陳秉科
記者丨朱敏