摘要：自嫦娥六号从月球背面南极-艾特肯（SPA）盆地带回珍贵月壤以来，这一月球最大、最古老的撞击盆地就持续为人类解锁月球演化奥秘。近期，中国科学院地质与地球物理研究所月球研究团队取得新进展，他们依托嫦娥六号撞击熔融苏长岩样品，结合热力学模拟计算，成功重建了SPA盆地撞击熔融及后续岩浆池结晶的全过程，揭示了月背上月幔物质组成，限定了SPA盆地内部“新生壳-新生幔-原始幔”三层结构框架。该成果不仅为月球岩浆洋演化假说提供了关键实证，也为理解太阳系早期大型撞击对类地行星壳幔结构重塑作用奠定了基石。
月球在形成初期经历了一个“岩浆洋”阶段：较轻的钙长石上浮形成月壳，较重的橄榄石和辉石下沉构成月幔。这一假说虽被广泛认可，但由于无法直接采集月幔样品，科学家始终难以验证月幔的真实组成。SPA盆地作为月球上最大的撞击盆地，是人类目前能触碰月球深部物质的最佳窗口。该大型撞击极可能击穿了月球壳幔边界，挖掘出了下月壳和上月幔物质，并诱发撞击瞬时坑内部物质大量熔融，形成一个巨大的岩浆池。此前光谱探测已在盆地内部发现疑似月幔的矿物信号，研究者也在嫦娥六号月壤中识别高镁橄榄石，但学界对此一直存在争议：这些物质究竟是真正的月幔、还是下月壳的镁质侵入岩、亦或是撞击岩浆池冷却后的产物？现有的技术手段很难有效区分。
最近，中国科学院地质与地球物理研究所月球研究团队在嫦娥六号月壤中识别出SPA撞击熔融形成的苏长岩，测得SPA撞击发生在42.5亿年前。这类苏长岩是SPA撞击岩浆池晚期结晶的产物，成为解锁SPA撞击密码的“钥匙”：通过分析苏长岩，可以获取岩浆池的结晶序列和成分特征，进而反向推演出撞击前月幔的“原始配方”，为破解月幔难题提供了独特的样品支撑。
通过对苏长岩进行详细的岩相学分析，团队发现SPA撞击岩浆池的结晶顺序为：橄榄石→斜方辉石→斜长石→单斜辉石，这与月球岩浆洋的结晶序列高度相似，为后续岩石学模拟验证提供了关键约束条件（图1）。为还原SPA撞击熔融过程，团队构建了橄榄石、斜方辉石和单斜辉石主导的三种上月幔成分模型，通过热力学方法模拟了不同上月幔成分与斜长岩月壳的混合及熔融过程（图2），随后又模拟了撞击岩浆池结晶分异过程（图3）。
图1 嫦娥六号撞击熔融成因苏长岩
图2 撞击熔融模拟。（a）橄榄石主导的上月幔；（b）斜方辉石主导的上月幔；（c）单斜辉石主导的上月幔
图3 撞击岩浆池结晶分异模拟
结果显示，只有当斜方辉石主导的上月幔参与撞击熔融时，才能形成嫦娥六号苏长岩中观测到的岩石学特征。同时，研究发现斜长岩月壳对撞击熔融源区的贡献约为20–30%，这一比例略高于数值模拟的预测，暗示SPA 盆地的形成可能与更倾斜、速度更低的撞击方式相关。基于样品分析和模拟数据，团队提出了SPA撞击岩浆池固化后的三层式结构模型（图4）：底部为纯橄岩层（占51±3%），中间为斜方辉石岩层（5±3%），顶部为苏长岩层（44±6%）。结合GRAIL重力数据推算的SPA苏长质月壳厚度（约13–20公里），推算固化后的SPA岩浆池总厚度约为29–45公里。其中，底部的纯橄岩层（约15公里）和中间的斜方辉石岩层（约2公里），共同构成了叠加在原始岩浆洋月幔之上的“新生月幔”，其成分与原始岩浆洋月幔高度相似。
图4 南极-艾特肯盆地“新生壳-新生幔-原始幔”三层结构框架
该研究揭示，SPA撞击导致了显著的壳幔重组。SPA盆地内部的斜方辉石富集区来源复杂：既可能直接来自上月幔，也可能是岩浆池结晶的产物。例如，盆地内较小的撞击坑（如挖掘深度约13公里Lyman坑）中央峰暴露的斜方辉石岩大概率来自岩浆池的结晶；而较大的撞击坑（如深约30公里的Antoniadi坑和深约42公里的Zeeman坑）则可能直接挖掘出了斜方辉石主导的上月幔。研究还预测，在SPA盆地中心约20–30公里深度的撞击坑中央峰或存在纯橄岩，这为未来月球探测提供了明确目标。
值得一提的是，该工作揭示了SPA撞击时上月幔富集斜方辉石，而非橄榄石或者单斜辉石，说明该大撞击发生之前，月球背面就已经历月幔翻转。这一发现不仅印证了月幔翻转假说，而且进一步佐证了SPA盆地形成于42.5亿年前的结论。嫦娥六号样品忠实记录了这一段关键历史，不仅验证了月幔形成演化假说，更为人类最终揭开月球深部演化的完整历程奠定了坚实基础。
研究成果发表在国际学术期刊CEE（苏斌*, 陈意, 陈浩杰, 王则灵, 芶盛, 张谦, 张迪, 岳宗玉, 李献华, 吴福元. Crust–mantle architecture of the Moon’s South Pole–Aitken basin from Chang’e-6 samples [J]. Communications Earth & Environment, 2025, DOI: 10.1038/s43247-025-03056-9.）。研究受国家自然科学基金项目（42525205和42441802），中科院前沿科学与基础研究局项目（QYJ-2025-0104）和研究所重点部署研究项目（IGGCAS-202401）联合资助。
