我國科學家取得嫦娥五號着陸區火山活動歷史研究新進展

據中國科學院國家空間科學中心網站9月14日消息，我國嫦娥五號月球探測器於2020年12月着陸於月球正面風暴洋克里普地體（Procellarum KREEP Terrane，PKT）的東北部地區，隨後對着陸點附近的月表物質進行了採樣併成功將1731克月壤樣品帶回地球。風暴洋克里普地體的東北部地區之所以被選擇成為嫦娥五號任務的着陸區，主要在於它被認為是月球表面最年輕的玄武岩單元之一併且富含鈾、釷、鉀等生熱元素。先前基於熱化學與動力學的模擬研究認為，風暴洋克里普地體中富含的生熱元素恰恰是維持月球火山活動的主要原因。因此，對於嫦娥五號着陸區玄武岩厚度及其噴發速率的研究將進一步增進對於月球火山活動與內部熱演化歷史的認識。

圖1. 嫦娥五號着陸區的（a）光學影像、（b）假彩色波段合成影像以及（c）鈦含量分佈圖。

中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室都駿博士後、劉洋研究員，聯合來自北京大學、中國科學院上海天文台以及山東大學（威海）的科研人員，對嫦娥五號着陸區的玄武岩厚度進行了估算。首先，依據嫦娥五號着陸區撞擊坑濺射物中鈦含量的分佈特徵，並結合月表撞擊坑統計定年結果與嫦娥五號玄武岩樣品的放射性同位素定年結果，確定了嫦娥五號着陸點及周邊地區玄武岩單元的形成先後順序（圖1）。接着，利用光學、地形、光譜以及重力等多源遙感數據，基於穿透與未穿透撞擊坑的挖掘深度、部分淹沒撞擊坑的地形演化過程以及描述重力與地形相關程度的有效密度譜，估算了嫦娥五號着陸區各下伏玄武岩單元的厚度（圖2）。

研究結果表明，嫦娥五號着陸區至少經歷了四次火山岩漿噴發，厚度中值分別為230米、70米、4米以及36米（圖3a）。而從玄武岩厚度的空間分佈趨勢來看，可以發現隨着距離Rima與Mairan兩條月溪越遠，玄武岩的厚度逐漸遞減，這表明Rima與Mairan兩條月溪的火山口為嫦娥五號着陸區玄武岩的噴發源頭（圖3b）。進一步地，結合各玄武岩單元的面積與年齡估算結果，計算了嫦娥五號着陸區玄武岩的噴發速率，發現該地區的岩漿噴發通量在月球火山活動晚期（約20億年前）有顯著（約2個數量級）增強（圖3c）。

圖2.（a）典型穿透坑（黑色箭頭）與未穿透坑（藍色箭頭）的鈦含量分佈圖。（b）典型部分淹沒撞擊坑的光學影像，其中白色箭頭指示了撞擊坑濺射物與玄武岩的邊界。（c）研究區域的無空氣重力異常，由此可進一步計算得到有效密度譜。

基於熱化學與動力學模型的研究認為，月球正面風暴洋克里普地體中富含生熱元素是月球晚期火山活動依舊活躍的主要原因（Laneuville等，2018，JGR）。然而，最新的樣品研究結果表明，嫦娥五號着陸區的玄武岩並非克里普玄武岩（Tian等，2021，Nature）。本研究提出一種可能性，即風暴洋克里普地體中的生熱元素的確為月幔部分熔融區域提供了熱源，但是岩漿在由月幔快速上升至月表的過程中可能並沒有來得及與風暴洋克里普地體中的克里普成分充分混合，從而導致嫦娥五號玄武岩樣品中並未測量到較多的克里普物質。此外，嫦娥五號着陸區的月殼厚度比平均月殼厚度小25%左右，且早期鄰近的雨海盆地撞擊事件可能在月殼中形成了大規模的裂隙構造，這些因素都有利於月幔中的岩漿噴發至月表。月球晚期火山活動的維持機制一直是月球科學研究中的熱點問題，而對於嫦娥五號玄武岩樣品的進一步挖掘研究（如對粘滯度和熱導率等參數的測量），有望為現有的月球熱化學與動力學模型提供新的約束，從而為解釋月球火山活動的持續時間與噴發規模提供有力證據。

圖3.（a）嫦娥五號着陸區各下伏玄武岩單元的厚度。（b）Em4與Em3單元厚度之和的空間分佈，其中紅色曲線為Rima與Mairan月溪。（c）嫦娥五號着陸區以及月表其它地區玄武岩岩漿的噴發率。