从20亿年前到1.2亿前，中国科学家续写月球火山活动史

出品：科普中国

作者：地星引力

监制：中国科普博览

每逢中秋，赏月都是必不可少的环节。月亮不仅在中国传统文化中有着团圆、思乡、美丽、纯洁等美好的意象，在科研人员的眼中，它同样有着巨大的吸引力。作为地球的天然卫星，人类空间探测的第一站，我们渴望解开它的诞生、它的地质演化过程等谜题。

想了解远在三四十万千米之外的月球，实非易事。过去，人类对月球的认识和了解，多来自于美国、苏联等探月经验丰富、拥有月球样品的国家。

直到2007年，嫦娥一号发射，中国科学家研究月球的机会和能获得的资源终于大幅提升。特别是2020年嫦娥五号采集月球样品并顺利返回地球以来，全球科学家特别是中国科学家已经利用这些“新鲜”的月球样品完成了大量科研任务，并取得了诸多重要的研究成果。

根据2024年9月6日发表在《科学》上的一项研究，中国的科学家们从3克的嫦娥五号月球样本中挑选出了3000多颗微小的玻璃球，又通过手动挑选、微量元素分析和同位素分析等方式挑选出3颗火山活动喷发产生的玻璃球。最后，根据对这些玻璃球的同位素测年分析，发现它们的年龄约为1.2亿年，也就是说月球在1.2亿年前仍然存在火山活动。

有些关注科学新闻的读者可能已经注意到了，中国科学家在2年前也有过类似的研究成果，只不过当时的结果认为月球至少在20亿年前仍然存在火山活动。这次的发现又将月球的火山活动历史大大拉长了。

显微镜下的3颗火山玻璃珠

（图片来源：参考文献1）

那么，科学家们为什么这么重视对月球火山活动的研究呢？

首先，这有助于我们认识地-月系统的起源，并且厘清月球的地质演化史。目前最被广泛接受的地月起源理论是“大碰撞理论”，这一理论认为在太阳系非常早期（45.27亿年前左右）的时候，原始地球与一颗和目前火星差不多大小的原行星忒伊亚（Theia）碰撞，碰撞产生的巨大能量导致忒伊亚被气化、熔融，残骸则被地球吞掉。碰撞后残留的部分物质被带入环绕地球的轨道中，经过吸积之后，最终形成了原始月球。

原始地球与忒伊亚的碰撞想象图

（图片来源：Wikipedia）

由于大碰撞时产生了巨大能量，原始月球被认为是一个几乎完全熔融的岩浆球，在随后的冷却过程中，岩浆中那些耐高温的矿物（橄榄石以及辉石等）首先冷却析出，并且沉淀在岩浆深处形成下月幔。

此后，岩浆开始析出另一些不那么耐高温的矿物——钙长石，但是钙长石密度很小，所以会漂浮在岩浆上层，形成一个钙长石层的月壳，根据阿波罗任务采集到的样本，科学家们认为最古老的初始月壳年龄甚至大于44亿年，最年轻的初始月壳也不过42.9亿年。

接着，由于前述成分从岩浆中先后析出，剩下的岩浆部分逐渐富集铁，并形成了上月幔。最后剩下的岩浆形成了一层原克里普层（urKREEP）。

至此，月球发展出原始的核-幔-壳圈层。

（图片来源：参考文献2）

但接下来又发生了两件“特别”的事情。

一是在原始月幔形成后1000万年左右，由于下月幔密度比上月幔小，因此月幔开始翻转，富铁的上月幔物质下沉，富镁的橄榄石和低钙辉石下月幔物质上浮。在这个过程中，重力势能的转化重新让已经结晶成岩的物质熔融成玄武质岩浆。它们在上升过程中吸收了原克里普层的物质后形成了一层次生月壳。

（图片来源：参考文献2）

（图片来源：参考文献2）

二是在上述过程完成后，在大约43亿-38亿年之间，太阳系内曾出现过大规模撞击事件，这些撞击事件形成了月球表面的大型盆地以及数量众多的撞击坑。其中规模较大的撞击坑，比如直径约为2400千米×2100千米的南极-艾肯盆地可能在当时就直接撞穿了月壳，甚至将月幔物质也撞到了月表。

南极-艾肯盆地以及其他撞击坑

（图片来源：Wikipedia）

一方面，这些撞击可能直接导致撞击坑周围物质熔融，另一方面，由于月壳可能因此而被削薄，月幔所受到的压力骤减，因此触发了降压熔融（原本月幔被压，现在压力消失，月幔中因压力而储存的能量骤然释放，自然就会导致熔融）。

因此，在多方面的因素下，月球在40亿-30亿年之间曾发生过剧烈的岩浆活动。这些岩浆活动形成的玄武岩溢流造就了我们在月球正面观察到的大面积黑色月海。而在此之后，月球上的岩浆活动就极为稀少了。

我们看到的月球正面的大面积黑色被称为月海，它们都是大面积岩浆溢流形成的

（图片来源：NASA）

以上的理论都建立在阿波罗等一系列之前的探月任务采集到的标本上。但是这些标本采集的区域几乎都集中在月球低纬度区域，而且采集的时间也已经过去比较久了，它们并不能代表月球的实际情况。

根据这些年高精度遥感观测的研究，科学家发现月球的火山活动可能可以延续到10亿年前左右。根据两年前的对嫦娥五号月球样品的研究，确实在样本中发现了20亿年前的火山活动证据，再加上这次发现的1.2亿年前的火山活动证据，足以证明原本的月球演化模型并不完全正确。

从纯科学的角度来说，科研工作者可以修正或者有机会重新改写这个月球演化模型。中国的科研工作者，在这一领域也开始有了自己的发言权。

另外，月球上火山活动的研究也有助于我们解答一些还未搞清楚的问题。比如，月球正面和背面的景观完全不同，在月球正面存在大面积月海，正如前文所说，这是大面积岩浆活动的产物，而在月球背面，月海面积则非常小。科学家们将其称为月球发育过程中的不对称性，但这种不对称性是如何导致的却至今未有定论。对月球火山活动的研究也有助于解答这些问题。

月球背面的景观，可以发现与前文中月球正面景观完全不同

（图片来源：Wikipedia）

其次，对月球火山活动的研究，对于研究其他无水无板块运动的类似小行星具有很大的参考意义。对月球岩浆活动历史的研究在更专业的语境下叫做“热演化史”。之所以叫这个名字，是因为其他的小行星形成过程也与月球形成类似，它们形成之初几乎都是温度高达数千度岩浆球。

由于与宇宙背景温度的差异，它们自形成后就一直在降温，由于越靠外层降温越快，岩浆降温后就会形成岩石，所以我们见到的岩质行星基本上都有壳-幔-核的相似结构。

目前根据月球的演化模型，科学家们认为类似的小行星在诞生以后很快就会完全冷却下来，但是这些新发现则动摇了这些看法，我们很有可能在其他类似小行星上也有机会发现比较年轻的火山活动。

各大行星的卫星

（图片来源：Wikipedia）

最后，对月球火山活动的研究，在并不遥远的开发月球的未来也可能具有非常重要的指导意义。因为火山活动是由地下岩浆活动引起的，而岩浆活动活跃的地方往往又是矿物和水的富集区，因此这其实对于未来人类在月球上的定居和开发也具有重要意义。

岩浆其实就意味着水，这听起来很反常识，但事实确实如此。换个角度来讲，岩浆其实就是充满了各种化合物的高温炽热溶液，它包含了大量的水——这些水有些可能是以氢离子或氢氧根离子的形式存在于各类化合物中的，通过岩浆中的化学反应可以随时形成，更多的水则因为岩浆处于地下深处，压力很大，直接可以以超临界水的形式存在。一旦岩浆涌出地表，水就会形成水蒸气随之喷出。因此岩浆活跃的地方，就意味着能源源不断地获得水。

此外，根据地球上的矿床学研究，许多重要矿产都源自岩浆热液的活动，而要是能在地外天体上发现目前正在活动或是曾经活动过的岩浆区域，那么对于未来的地外采矿也具有重要意义。

故事仍在继续。

2024年6月25日，嫦娥六号带着世界首份月球背面样品顺利返回地球。这些样品，又将如何刷新我们对月球的认识呢？让我们共同期待。

参考文献：

1.Wang B W, Zhang Q W L, Chen Y, et al. Returned samples indicate volcanism on the Moon 120 million years ago[J]. Science, 2024, 385(6713): 1077-1080.

2.Borg L E, Carlson R W. The evolving chronology of moon formation[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2023, 51(1): 25-52.