在探索月球的浩瀚征程中，人类曾通过6次Apollo任务、3次Luna任务和1次嫦娥五号任务，从月球表面共带回了380余公斤样品。然而，以上样品全部来自月球正面。中国的嫦娥六号任务首次实现了从月球背面采样，成功带回了1935.3克珍贵样品，为人类研究月球背面物质特性、岩浆活动、撞击通量、月球二分性成因等提供了关键研究素材。
月球正面与背面的不对称性成因（涵盖了玄武岩分布、地形特征、月壳厚度以及Th含量等方面）一直是一个长期未解的科学难题。月海玄武岩和隐月海玄武岩覆盖了约18%的月球表面，其中约93%的玄武岩集中分布在正面，背面仅分布7%。Apollo、Luna以及嫦娥五号任务带回的月球玄武岩样品表明，正面月海火山活动最早可追溯至40亿年前，且至少延续至20亿年前。此外，嫦娥五号样品中的火山玻璃珠揭示月球正面还存在持续至约1.2亿年前的小规模火山活动。月球背面是否经历了类似的长期火山活动仍不清楚。基于遥感观测的撞击坑统计年代学研究表明，正面和背面的火山活动年代模式可能大致相似。然而，由于缺乏来自月球背面月海区域的返回样品，至今尚无法进行可靠的比较，这阻碍了人们对于月球不对称性成因的理解。
2024年6月2日清晨，嫦娥六号成功着陆在
月球背面南极-艾特肯盆地预选着陆区
嫦娥六号采样点位于月球背面南极-艾特肯盆地内部阿波罗撞击坑边缘，该区域月壳极薄，遥感观测显示该地区分布有大量的月海玄武岩物质。中国科学院地质与地球物理研究所获批两份月壤样品（编号为CE6C0100YJFM002，CE6C0200YJFM001）开展研究工作（注：CE6 = 嫦娥六号；C = 铲取样；YJFM = 研究粉末）。地质地球所以及国家天文台的联合科学家团队，基于离子探针实验室自主研发的微区原位年代学分析方法，对嫦娥六号月壤样品中的玄武岩岩屑进行了精确定年。所采用的方法为Pb-Pb等时线法，提取分析数据中204Pb/206Pb比值为横坐标、207Pb/206Pb比值为纵坐标进行拟合，获得204Pb（非放射成因Pb的代表）为0的y轴截距即放射成因207Pb/206Pb比值，可计算年龄；在U为0（即不含放射成因Pb）的测点上可以获得玄武岩初始Pb同位素组成，用于计算玄武岩源区的238U/204Pb比值，即μ值，可指示玄武岩月幔源区性质。
研究人员通过大量制作岩屑树脂靶，并在扫描电镜下进行精细观察，根据结构将玄武岩分为三种类型，即斑状结构、次辉绿结构和嵌晶结构（图1）。
图1 嫦娥六号样品代表性玄武岩岩屑的显微岩相学特征。（a）斑状结构岩屑，可见斜长石和单斜辉石斑晶产于细粒基质中，该类岩屑中没有发现含锆矿物；（b）次辉绿结构岩屑，可见斜锆石（Bdy）和磷灰石（Ap）作为粒间矿物或包裹体矿物与富铁橄榄石（Ol）、陨硫铁（Tro）和单斜辉石（Cpx）等共生；（c）嵌晶结构岩屑，自形的斜锆石与磷灰石、斜长石产于单斜辉石中；（d）嵌晶结构岩屑，可见高铝玄武岩（4.2 Ga）中的斜锆石、静海石（Trq）、磷灰石和钛铁矿（Ilm）呈交生状产出。SIMS pit为离子探针直径~3微米束斑分析后的残留痕迹。（所有108颗定年玄武岩岩屑BSE图像可参见文章的Supplementary Fig. 1）
本次研究共选取了108颗玄武岩岩屑开展Pb-Pb定年工作。对每一种结构的岩屑进行SIMS分析，分别构建Pb-Pb等时线。其中107颗（包括9颗斑状、45颗次辉绿和53颗嵌晶结构）玄武岩岩屑获得了误差范围内一致的Pb-Pb年龄，且等时线斜率也一致，指示这些岩屑极可能来源于同一个期次的玄武岩喷发。综合所分析的107颗岩屑数据（图2a），最重要的是其中的78颗含锆矿物，即斜锆石、钙钛锆石和静海石（这类矿物具有高U含量和非常低的初始Pb含量），精确限定了这一期玄武岩喷发时代为2807 ± 3 Ma（图2b）。
图2 嫦娥六号月球样品中107颗2.8 Ga玄武岩岩屑的Pb-Pb等时线。（a）共计180个多矿物测点拟合的Pb-Pb等时线；（b）上图等时线靠近y轴交点处放大图，突出显示含锆矿物测点数据。
通过对硅酸盐矿物（斜长石和单斜辉石）和陨硫铁开展的180个U-Pb同位素测点分析，发现3颗陨硫铁具有低于0.001的U/Pb比值，限定了初始Pb同位素组成为207Pb/206Pb = 1.085 ± 0.003，204Pb/206Pb = 0.00550 ± 0.00014。根据初始Pb同位素计算出2.8 Ga玄武岩源区的μ值为360 ± 10。此外，还发现一颗具有嵌晶结构的高铝玄武岩岩屑（图1d），对其中的斜锆石、静海石和硅酸盐矿物开展Pb-Pb定年，精确限定其喷发时代为4203 ± 4 Ma（图3），并根据等时线斜率计算出其源区的μ值为1620 ± 160。
图3 嫦娥六号月球样品中4.2 Ga高铝玄武岩岩屑的Pb-Pb等时线（图例见图2）。
以上研究揭示嫦娥六号采样点的主期（本地）玄武岩形成于2807 ± 3 Ma，标志着月背岩浆活动至少持续到了28亿年以前，这一年龄也填补了月球正面玄武岩样品在该时期的记录空白。其月幔源区μ值低至~360，低于绝大部分正面玄武岩样品和月球玄武岩陨石的源区μ值（图4），指示来自于非常亏损的月幔源区，且岩浆上升过程中也没有混染KREEP组分。42亿年前高铝玄武岩源区的μ值高达~1620，指示其可能来源于富集KREEP的月幔源区。虽然这一颗高铝玄武岩在分析样品量中占比极低，可能是由其它玄武岩单元溅射至嫦娥六号采样点的外来物质，但也指示了采样区附近岩浆活动的多样性及背面月幔源区的复杂性。
图4 返回月球玄武岩样品与部分月球玄武岩陨石的年龄和月幔源区μ值分布。嫦娥六号采样点主期2.8 Ga玄武岩的源区μ值低于大多数返回样品和陨石样品，指示亏损KREEP；4.2 Ga高铝玄武岩μ值则较高，指示富集KREEP。
本次研究发现的两期玄武岩综合指示月背的火山活动至少持续了14亿年，且揭示出月背在经历了南极-艾特肯盆地形成之后仍存在较富集KREEP物质的月幔源区，而在28亿年前已经非常亏损的月幔源区仍可以产出岩浆活动，暗示月背较少的岩浆活动与较少的KREEP物质并不直接相关，可能较大的月球厚度是导致较少玄武岩岩浆活动的更主要原因。
本次研究获得的嫦娥六号本地玄武岩年龄（2.8 Ga）与此前通过撞击坑统计定年法得到的采样区模式年龄（3.07–2.40 Ga）比较一致（图5），表明为月球正面建立的陨石坑统计年代学模型也适用于月球背面。且2.8 Ga玄武岩的精确放射性同位素年龄可用于进一步完善当前的陨石坑统计年代学函数，为它提供关键锚点，弥补定年曲线在该时段的空白。
图5 嫦娥六号采样点本地2.8 Ga玄武岩放射性同位素年龄与前人撞击坑统计定年结果对比。
该项研究成果于2024年11月15日在线发表于国际顶级学术期刊Nature（张谦，杨慕涵，李秋立*，刘宇，岳宗玉，周琴，陈浏阳，马红霞，杨赛红，唐旭，张广良，任鑫，李献华. Lunar farside volcanism 2.8 billion years ago from Chang’e-6 basalts [J].Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08382-0）
该成果受国家自然科学基金（42225301, 42241105）、中国科学院先导B项目（XDB0710000，XDB1180000）、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202401）共同资助。
美编：陈永焱
校对：刘强