李秋立 ：破解“月球二分性”之谜

 

祖先云“人生代代无量已
，李秋立破江月年年看近似”，解月意指人们在地球上老是球分看到几近不异的月貌
。这是性之学网因为月球的自转周期与公转周期相当，使得它不竭以不合面朝向地球  。谜旧这类气候的事科成因与潮汐力激起的形变摩擦有关：初期月球自转较快 ，地球引力使其产生发火潮汐隆起，李秋立破月幔内部的解月摩擦耗散了主动弹能，幻想下场自转周期与公转同步 ，球分完成了“潮汐锁定”。性之学网当然月球的谜旧自转和公转被无缺锁定，但因为其轨道为卵形 ，事科当月球处于不日点时，李秋立破它的解月自转速度便追不上公转速度，是球分以我们能看到月球东部至东经98°的区域；相反，当月球处于远日点时，自转速度比公转速度快，是以我们又能看到月球西部至西经98°的区域，这类气候称为“天秤动”
，使得在地球上最多可不美不美不雅察到月球总外不雅约59%的区域。

1959年10月4日，苏联发射了“月球3号”探测器，其次要义务是一窥月球后背 。探测器在飞过月球后背时发还了29帧图象，袒护了月球后背70%的区域。所分化的首张月背照片当然有些恍忽，可是人们看到了月球秘要的后背——布满了凹地和山脉 ，除夜面积且平坦的“月海”独一两处
，展示出与月球正面无缺不合的地形特点。直到1968年的“阿波罗8号”义务旋绕月球时，人类才直接用肉眼看到了月球后背 。月球后面前形起伏不服，鳞集分布撞击坑 ，平坦的月海面积远少于正面 ，往后激起“月球二分性”的相干试探。

从远感技能看月球正后背的不合

在月背样品前去之前
，人们次要经由过程远感技能试探月球正后背的不合 。下场展示，二者在地形地貌 、矿物岩石构成 、元素分布 、月壳厚度甚至岩浆活动不日方面存在较着不合 。

一是地形地貌的不合，这是最直不美不雅不雅不雅不雅不雅不雅的不合特点。旋绕器拍摄的高清图象展示，月球正面分布着坦荡宽大年夜大年夜奔放宽除夜广大年夜奔放的暗色平原——月海玄武岩 ，袒护面积约占正面的30%，我们熟知的“蟾宫”“玉兔”等月面意象均源于此；而月球后背的月海面积仅占1%——2%，尽除夜部分区域由盘曲的月陆（斜长岩凹地）和鳞集的陨石坑构成
，集团地貌更显“萧瑟粗拙” 。

二是矿物岩石的不合。光谱技能是辨认矿物岩石构成的关头身手 。不合矿物和岩石因化学要素与晶体筹划不合 ，会对光（电磁波）产生发火稀少的领受、反射和发射特点，经由过程将不美不美不雅察光谱曲线与考验考验室中已知矿物的标准光谱库比对 ，从而辨认出具体的矿物信息。因为月表泥土是多种矿物的同化物，还需经由过程宏壮算法反演各矿物比例 。检测下场注解 ，月球正面主导特点岩石是月海玄武岩，关头矿物为高钙辉石和橄榄石和钛铁矿；月球后背主导岩石为凹地斜长岩，关头矿物以斜长石为主，含多量的低钙辉石和橄榄石 ，后背岩石的反射率更高，是以看起来更敞亮。

三是元素分布方面的不合 。元素构成的探测次要经由过程测量特点γ射线和X射线完成。当元素受宇宙射线轰击或本身衰变时，会发射特点射线 ，经由过程检测射线的能量与强度，可反演元素品种及含量。从特点性元素分布来看 ，数据展示 ，月球正面的宏除夜风暴洋地体内，富集钾 、钍、铀等放射性生热元素；而这些元素在月球后背的分布则较着“瘠薄”。

四是月壳厚度方面的不合 。月壳厚度可经由过程月震仪或重力场数据掉落踪掉落踪
，阿波罗义务放置的月震仪所记实月震波撒播特点可以较为切确地筹算出月壳厚度  ，当然月震仪分布仅限于着陆区邻近的几个特定点，但为全球性编制供给了关头校准点。重力场与地形测量法是全局性编制 ，基身手理是均衡补偿幻想
，当卫星飞过月壳质量多余（如山脉）或质量盈利（如盆地）的区域时 ，其速度会被藐小地点窜 。经由过程多颗卫星间的微波测距，可以绘制出月球重力场图，再经重力特别很是反演月壳密度分布来推算月壳厚度。下场展示  ，月球正面的平均月壳厚度为20——30千米，部分区域（如月海）大年夜大年夜约更薄至小于10千米；此后背月壳平均厚度约50千米，部分区域（如南极——艾特肯盆地中心）甚至超出80千米 。

五是岩浆活动方面的不合 。岩浆活动的时代，可经由过程撞击坑统计定年分化掉落踪掉落踪。其基身手理是玄武岩喷出后会在盆地中构成一除夜片平原，经由过程统计其上堆集的撞击坑大年夜小和数量分布特点 ，连络前去样品掉落踪掉落踪的同位素岁数 ，从而掉落踪掉落踪一条对应的曲线
。经由过程统计未采样区撞击坑分布特点便可以屈就曲线方程给出岁数估计。研究注解，月球正面除夜局限的月海玄武岩喷发除夜约从39亿年前最早，最年青的月海区域岁数可以年青到12亿年 ，且存在几十处大年夜大年夜约产生发火于1亿年放置小局限的火山活动；而月球后背的岩浆活动次要集结在除夜约35亿年前，最年青月海玄武岩区域岁数除夜约为24亿年，展示月球后背的岩浆活动停止得更早 。

畴前去样品看月球正后背的不合

假定说远感技能为“月球二分性”绘制了“全景图”，那么月球样品的考验考验室分化则为破解谜团供给了“微不美不雅不雅不雅不雅不雅不雅暗码”
。

迄今为止，人类共完成10次月球采样前去义务  ，美国阿波罗筹算6次
 、苏联月球号筹算3次、中国嫦娥五号1次均群集自月球正面  。2024年，中国嫦娥六号初度将月球后背样品带回地球，为分析“月球二分性”之谜供给了史无前例的直接素材 ，从样品表不美不雅不雅不雅不雅不雅不雅特点 、玄武岩岁数、源区富集程度 、源区水含量、月幔物理化学等多个维度 ，揭穿了正后背不合的深层成因。

从月壤表不美不雅不雅不雅不雅不雅不雅特点来看
，当然嫦娥五号与嫦娥六号均着陆于玄武岩区域，但月壤特点不合较着 。嫦娥五号月壤集团呈深褐色或黑褐色；而嫦娥六号月背样品色彩浅
，斜长石含量较着添加
、橄榄石含量除夜幅促进 ，注解该区域月壤较着遭到非玄武质物质的影响 ，颗粒本源也愈加宏壮。筹划方面
，嫦娥六号月壤愈加涣散，孔隙度更高，体密度仅为0.98克/立方厘米 ，较嫦娥五号月壤低约20%
。

从岩浆勾事前分来看
，来自正面的嫦娥五号玄武岩经由割断定年，创作创造于20亿年前喷发，相较阿波罗时代经由过程样品分化所认为的月球在30亿年前就停止了岩浆活动
，将月球岩浆勾事前限延续了10亿年，而个中创作创造的三颗火山玻璃证实1.2亿年前仍存在的小局限火山活动，再次将岩浆活动延续19亿年。反不美不雅不雅不雅不雅不雅不雅嫦娥六号着陆区的玄武岩，经由过程撞击坑统计大年夜大年夜体估计其岁数在24亿——31亿年之间，根本处于月背火山活动的最年青端元，而经由切确的同位素定年分化
，断定为28亿年前喷发，注解月背的岩浆活动起码延续到28亿年前 。集团来看 ，月背的岩浆活动相较正面要更早停止。

从月幔特点来看 ，经由过程对玄武岩做进一步的元素含量和同位素分化来根究熔融源区的特点，研究创作创造 ，20亿年前喷发的嫦娥五号玄武岩 ，其月幔源区已盈利放射性生热元素；而28亿年前的嫦娥六号玄武岩源区 ，是如今已知盈利程度最严重的区域。此前科学界普及认为
，放射性元素衰变所构成的生热效应是月球贯穿连接内生岩浆活动的启事，这个创作创造倾覆了之前的熟谙
，迫使科学家寻觅新的岩浆运念头制 。

从源区水含量来看，对玄武岩样品的熔体包裹体举办水含量分化并推算月幔源区水含量特点，揭显露嫦娥五号玄武岩源区在20亿年前仅含有约5微克／克的水，连络阿波罗义务前去的更老样品回响的月幔水含量 ，展示月球内部的水在经验一个逐渐变干的过程 。而嫦娥六号玄武岩的分化展示，月背月幔中水含量在28亿年前已降低到约1微克／克，较着低于正面
。这注解这两期玄武岩的喷发也不是因为源区富集水而熔点降低构成的。

从月幔物理化学特点来看，矿物要素分化与筹算展示 ，嫦娥六号玄武岩样品的结晶温度比照月球正面的玄武岩样品低约100℃，且筹算掉落踪掉落踪的月背的月幔潜能温度比正面低（正面约1500℃，后背信1400℃），展示月背内部更“冷”
。经由过程比照月球正面和后背玄武岩所回响源区的氧逸度，创作创造月球后背月幔氧逸度较着低于月球正面，展示了一个超恢复的特点
。

综合来看 ，嫦娥六号样品揭穿的月背月幔，展示出“更干、更瘠薄、更冷、更恢复”的集团特点，与正面构成光鲜比照。值得寄看的是 ，嫦娥六号采样区位于月球后背的南极——艾特肯盆地——这是太阳系已知最除夜撞击筹划之一
，直径约2500千米 ，最除夜深度达13千米，最除夜落差16.1千米 ，面积相当于半个中国海洋。着陆区地址的阿波罗盆地月壳厚度仅约12千米，较着低于周边及月球平均值。经由过程样品分化 ，科学家初度切确限制南极——艾特肯盆地构成于42.5亿年前；幻想模仿进一步展示，这一宏除夜撞击义务大年夜大年夜约招致月背的放射性生热元素向正面迁徙，也便可以诠释为甚么月球正面岩浆活动既多且延续时分长。是以
，“月球二分性”成因除月球初期岩浆洋舛错称结晶以外 ，南极——艾特肯盆地遭受的重除夜撞击义务也值得将来投进更多的存眷。不过，鉴于嫦娥六号所着陆南极——艾特肯盆地的出格性，如今所不美不美不雅察的不合实用于盆地之下月幔理应是公允的，大年夜大年夜约否可以推导到月背其他区域仍是一个不小的疑问 。

嫦娥五号与嫦娥六号前去样品带来的新认知，为破解“月球二分性”之谜供给了次要线索。作为触及地质、化学、物理等多学科的宏壮科学问题
，“月球二分性”的无缺谜底仍有待试探。跟着更多月球探测义务的履行和样品分化的深切 ，科学家将延续揭开月球的秘要面纱，为邃晓太阳系初期演变汗青供给更波动的按照
。

（作者系中国科学院地质与地球物理研究所研究员）

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