月球深处有什么？“嫦娥四号”解答长期困扰疑问

2019-05-16 10:05:25来源：文汇报

北京时间2019年5月16日凌晨，国际科学期刊《自然》(Nature)在线发布我国月球探测领域的一项重大发现。中国科学院国家天文台李春来研究员领导的研究团队利用嫦娥四号就位光谱探测数据，证明了月球背面南极-艾特肯盆地(SPA)存在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质，为解答长期困扰国内外学者的有关月幔物质组成的问题提供了直接证据，将为完善月球形成与演化模型提供支撑。

有关月球早期演化的理论认为，月壳由是岩浆洋中较轻的斜长石组分上浮结晶形成，而如橄榄石、辉石等较重的矿物下沉形成月幔。然而，这一关于月幔组成的推论至今没有很好地被证实。

▲ 月球内部结构可能的解释。（a）月球岩浆被设定为深550km，下月幔由原始的未熔融物质组成。CM和CF分别代表质量中心和形态中心（源自Wieczorek， M。 et al。 in The constitution and structure of the lunar interior。《Reviews in mineralogy and geochemistry， Vol 60》（eds Joliff， B。 et al。 Mineralogical Society of America， Chantilly， 2006），P225。　　（b）月球最内部的物理分层结构（源自Weber et al。 Seismic detection of the lunar core。 Science， 331， 309-312（2011））。

▲ 月球内部结构可能的解释。(a)月球岩浆被设定为深550km，下月幔由原始的未熔融物质组成。CM和CF分别代表质量中心和形态中心(源自Wieczorek， M。 et al。 in The constitution and structure of the lunar interior。《Reviews in mineralogy and geochemistry， Vol 60》(eds Joliff， B。 et al。 Mineralogical Society of America， Chantilly， 2006)，P225。　　(b)月球最内部的物理分层结构(源自Weber et al。 Seismic detection of the lunar core。 Science， 331， 309-312(2011))。

一方面，美国阿波罗任务和苏联月球任务返回的月球样品中没有发现与月幔准确物质组成有关的直接证据。另一方面，最有可能撞穿月壳的月球背面南极-艾特肯盆地(SPA)内，并未发现月幔指示矿物——橄榄石的大量出露的证据。这是否说明富橄榄石的月幔假说是错误的?

带着揭开月球深部物质成分神秘面纱的使命，嫦娥四号(CE-4)踏上了探索月球背面SPA，为月球起源演化研究提供新数据的征程。

2019年1月3日，嫦娥四号探测器“定点、定时、精确”地着陆在月球背面预选着陆区冯卡门坑内。1月4日巡视器(玉兔2号)与着陆器分离，其上携带的红外成像光谱仪(VNIS)成功获取了着陆区两个探测点高质量光谱数据。

▲（a）、（b）玉兔二号所搭载的红外成像光谱仪拍摄到的探测点光谱图像。（c）玉兔二号所搭载的全景相机拍摄的探测点影像图。

▲(a)、(b)玉兔二号所搭载的红外成像光谱仪拍摄到的探测点光谱图像。 (c)玉兔二号所搭载的全景相机拍摄的探测点影像图。

▲（a）S1探测点附近岩石的全景相机图像（黑白）（b）第二月昼石块探测区域岩石的全景相机图像（彩色）

▲(a)S1探测点附近岩石的全景相机图像(黑白)(b)第二月昼石块探测区域岩石的全景相机图像(彩色)

国家天文台和仪器研制单位中科院上海技术物理所组成的研究团队通过对光谱数据的分析发现，CE-4着陆区月壤光谱的吸收特征与月球正面月海玄武岩质月壤光谱的吸收特征存在着显著差异，展现出低钙辉石的光谱特征，并暗示有大量橄榄石的存在。进一步的分析证实，CE-4着陆区月壤物质中橄榄石相对含量最高，低钙辉石次之，仅含有很少量的高钙辉石。这种矿物组合很可能代表了源于月幔的深部物质。

值得注意的是，CE-4号探测器的着陆点位于SPA盆地内的冯·卡门撞击坑内部，早期研究结果表明其表面被后续喷发的玄武岩所填充，那么这些不同于玄武岩的深部物质又是如何分布在着陆区域内的?对覆盖着陆区域的高分辨率遥感图像数据和高光谱数据的分析结果显示，着陆器和月球车位于玄武岩“平原”的撞击溅射物上，这些溅射物来自东北方向的芬森(FINSEN)撞击坑。

40多亿年前，SPA盆地形成时已将月壳减薄或完全剥离。FINSEN坑是由小天体撞击SPA盆地内部表面而形成，其犹如在SPA表面打的一口“深钻井”一般，进一步将SPA盆地表面以下月球更深部物质挖掘出，产生的溅射物四处抛射，呈辐射线撒布在冯卡门撞击坑“平原”上。因此，CE-4 VNIS分析到的对象是FINSEN撞击坑挖掘、抛射到冯·卡门撞击坑表面的月幔物质。

▲嫦娥二号数字高程模型所标识的芬森撞击坑