月球发电机的演化过程对于揭示月球的内部结构、热历史以及表面环境具有重要意义。卫星观测和月表实测结果都显示现今月球没有全球偶极磁场，然而月壳存在大规模的磁化（图1），表明月球可能曾有过发电机磁场，或撞击磁场。对阿波罗返回样品的古地磁研究指示月球在42–35亿年存在一个相对活跃的发电机，强度可达几十微特；在约31亿年下降了一个数量级，维持在几微特的强度；在15–10亿年强度再次下降，并最终在距今10亿年后的某个时刻月球发电机完全停止。目前发表的月球古磁场强度数据主要集中在30亿年前，而月球磁场中晚期演化过程则缺乏约束。此外，已有强度分析测量数据均来自月球正面返回样品，对月球背面的认识处于空白。月球古磁场时空分布信息的缺乏，导致了关于月球磁场的持续时间、几何形态和驱动机制等问题存在较大争议，例如，关于月球发电机持续时间的问题有学者提出了完全不同的观点，认为月核发电机难以长期存在，或许只能维持月球形成最初的1–2 亿年。
图1月球表面磁异常及月球探测任务着陆点分布。
嫦娥六号任务首次实现月背采样，从南极-艾特肯盆地内的阿波罗撞击坑（41.64°S, 153.99°W）采回了人类首批月背样品，共计1935.3克。中国科学院地质与地球物理研究所朱日祥研究员、蔡书慧副研究员及研究团队联合中国科学院国家天文台对获批的毫米级玄武岩岩屑样品开展磁学研究工作。已报道的嫦娥六号样品玄武岩主期次喷发年龄为28亿年（本所李献华研究员团队和中国科学院广州地球化学研究所徐义刚研究员团队结果），用于本研究的4颗玄武岩岩屑（CE6C0000YJYX211、038、344和392）（图2）铅-铅同位素年龄为，揭示出这些样品来自月球背面并处于关键的年龄空窗期。研究团队对这些岩屑样品开展了详细的古磁场强度、岩石磁学和显微学分析，研究结果为认识月球发电机时空演化和能量来源提供了关键约束。
图2嫦娥六号玄武岩岩屑图像。a-d，体式显微镜照片；e-h，玄武岩岩屑的CT切面图像。
本研究采用非加热古强度实验方法来估算嫦娥六号玄武岩岩屑记录的月球古磁场强度，包括地外样品常用的非磁滞剩磁（ARM）和等温剩磁（IRM）校正法，实验通过古地磁与年代学实验室的RAPID高灵敏度超导磁力仪完成，测试过程中仪器本底值保持在2×10-12 Am²以下。样品的NRM交变退磁结果至少包含三个组分：低矫顽力组分（LC）< 4–10 mT，可能代表样品返回后在地球磁场中获得的VRM；中等矫顽力组分（MC）在不同样品之间表现出一定差异，一般持续到24–50 mT；高矫顽力组分（HC）通常从≥ 26 mT持续到100–150 mT。样品211和038的HC组分表现相对稳定，持续衰减至原点，最大角偏差（MAD）大于偏差角（DANG）。样品344的HC组分则较离散，但其MAD也大于DANG，可以视为趋向原点。而样品392的HC组分方向更为分散， MAD小于DANG，未能趋向原点。
除392外，其余三个样品的HC组分均可认为是代表岩浆喷发时记录的原生特征剩磁，因此可以用这些样品的HC组分计算古强度。ARM校正方法计算的结果约为8–13 μT，而IRM校正方法的结果约为5–21 μT，两种方法的校正系数分别采用经验值1.34和3000。样品392的HC组分通过ARM和IRM方法计算出的古强度分别为~10 μT和9 μT，与样品211（图3）和038的结果一致，但由于该样品的HC组分不趋向原点，我们采用AREMc和REMc方法估算其古强度值，结果分别为< 20 μT和< 16 μT。四个样品的古强度可靠性检验表明，样品211、038和392均为理想的剩磁载体，样品344记录能力稍差，但也能通过可靠性检验。
图3嫦娥六号玄武岩样品211的古强度结果。a，逐步交变退磁的正交投影图。圆形和方形分别表示在水平和垂直平面上投影的剩磁数据，不同矫顽力组分用不同颜色表示。b，交变退磁过程中方向的等面积投影图。c，ARM和IRM校正方法古强度结果。NRM、ARM和IRM lost代表三种剩磁在交变退磁过程中的衰减量，BARM和BIRM代表ARM和IRM方法计算的古强度。d，NRM、ARM和IRM随交变退磁的衰减。a，b中的红色符号和c，d中带红色边框的符号代表用于计算古强度的数据点。
岩石磁学结果表明，嫦娥六号玄武岩样品磁化率较低，含有大量的顺磁性矿物，载磁矿物颗粒为不同粒径的混合，矫顽力分布范围较大。显微镜观察结果显示，样品211、344和392均具有微米级的铁颗粒，而样品038中的铁颗粒尺寸可能为百纳米级。岩石磁学和显微镜观测结果显示嫦娥六号玄武岩岩屑中的载磁矿物主要为铁颗粒，能够有效记录月球古磁场强度。
月球样品的剩磁可能来自多种磁源，包括月球发电机磁场，月壳磁异常、VRM和IRM污染以及撞击相关的磁化等，分析样品中不同组分剩磁的来源是解释古强度数据的关键。本文分析了多种可能的剩磁来源：1）根据月球磁异常模型预测和磁异常正演模型计算结果推测嫦娥六号着陆区的磁异常强度可能不超过几十纳特，而嫦娥六号玄武岩恢复的古强度为5–21 μT，表明局部月壳磁异常对古强度值的贡献非常有限；2）VRM测试结果显示这些玄武岩样品获得VRM的能力较弱，根据样品392的VRM获得和衰减实验推断，在地球磁场中两个月，其VRM获得量可能不超过5%。交变退磁结果显示VRM的退磁场强一般< 10 mT，表明在地球上获得的VRM可被低场交变退磁清洗。因此VRM不太可能污染样品的HC组分。此外，IRM测试结果表明，所有样品的NRM均低于9 mT的IRM，且低场IRM可以被与加载IRM的脉冲场相等的交变退磁场退掉，结果排除了样品的HC组分受IRM污染的可能性；3）地外样品通常经历了复杂的撞击历史，这可能导致样品发生退磁或获得撞击相关的剩磁。样品CT、SEM、拉曼光谱和光学显微镜分析结果显示玄武岩岩屑保持了喷发结晶时的晶体结构（次辉绿或斑状结构）（图2），且在矿物中未观察到明显的平面断裂、波状消光等现象，其拉曼光谱也未见到谱峰变宽或移动。这些结果表明，样品在喷发后经历了很有限的撞击改造，撞击峰值压力< 5 GPa。此外，玄武岩岩屑原始岩浆冷却速率计算结果表明它们从熔岩流冷却结晶的过程足够慢，也不太可能记录撞击产生的等离子体瞬态场。这些测试结果表明样品HC组分记录的古强度值最可能来自于月球发电机磁场。
嫦娥六号玄武岩形成于约 28 亿年前，其记录的古强度范围为~5–21 μT，中值为~13 μT，结果为30–20亿年之间月球磁场演化的数据空窗期提供了关键锚点。即使考虑上非加热古强度方法校正系数引入的误差，这些数据仍表明月球磁场在约31亿年前第一次显著下降后很可能发生反弹（图4）。此外，嫦娥六结合已有古强度数据指示月球发电机的强度可能存在一个随时间指数下降的整体趋势，对古强度数据取对数后，其与时间呈现出弱线性相关关系（r² = 0.3)。进一步对原始强度数据取对数后再进行线性去趋势处理以探讨该整体下降趋势下的二阶变化，结果表明在39–35亿年的高场时期之后，月球磁场在35–28亿年间发生显著波动，指示月球发电机此时可能处于不稳定状态，这一发现将为未来月球探测任务寻找可能的磁场倒转提供重要参考。
嫦娥六号返回的玄武岩古强度数据首次揭示月球背面古磁场信息，尽管目前28亿年月球正面没有数据，但结合已有30–15亿年的强度结果，推测在此期间可能存在一个全球性的月球发电机。已有研究认为月球发电机强度在~31亿年前急剧下降之后一直处于低能量状态，直至10亿年后最终消亡，并据此推测31亿年后的弱发电机可能是由月球核结晶或进动驱动的。然而嫦娥六号的玄武岩强度数据显示28亿年前月球磁场出现了反弹，表明月球发电机在早期急剧下降后可能重新激活，指示发电机主要能量来源发生变化或初始驱动机制再次增强。对比不同发电机模型的模拟结果，嫦娥六号记录的古强度与基底岩浆洋模型产生的场强最为一致（图4）。考虑到约束模型的参数存在较大不确定性，进动发电机也是可能的驱动机制，或者是二者共同驱动了月球发电机的运行。此外，其他机制（如核结晶）也可能为月球发电机提供补充能量。但值得注意的是，由于基底岩浆洋和进动发电机模型仍存在较大的不确定性，月球发电机确切的能量来源还需进一步评估。
图4月球磁场强度演化图。红色和蓝色五角星代表嫦娥六号样品ARM和IRM校正方法古强度。橙色误差棒表示对嫦娥六号古强度数据基于t分布的105次重抽样处理后的平均古强度95%置信区间（7–40 μT，中值为15 μT），计算过程考虑了线性回归和非加热古强度方法校正系数误差。空心符号代表强度值上线。
研究成果发表于国际学术期刊Nature
蔡书慧*，祁锴贤，杨赛红，房洁，石平原，沈中山，章敏，秦华峰，张驰，李晓光，陈芳芳，陈意，李金华，贺怀宇，邓成龙，李春来，潘永信，朱日祥. A reinforced lunar dynamo recorded by Chang'e-6 farside basalt [J]. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08526-2
本研究受国家自然科学基金委 （42241101, 42388101, 42488201）、中国科学院先导B（XDB 1180000, XDB 0710000）和研究所重点部署 （IGGCAS-202401） 项目共同资助。
美编 | 陈永焱
校对 | 刘强