蘇斌等-NSR：42.5億年！嫦娥六號(hào)月壤確定南極-艾特肯盆地年齡

自1959年前蘇聯(lián)“月球3號(hào)”探測(cè)器傳回第一張?jiān)虑虮趁娴哪：跋褚詠?，直徑約2500公里的南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken, SPA盆地）便成為人類深空探測(cè)的焦點(diǎn)。這個(gè)面積上堪比半個(gè)中國(guó)陸地的撞擊盆地，不僅是月球最大、最古老的撞擊遺跡（被列為月球三大地體之一），更是太陽(yáng)系早期小行星劇烈轟炸的見證者，可作為校準(zhǔn)太陽(yáng)系撞擊史的黃金參照，為火星、水星等行星撞擊坑建立統(tǒng)一年齡標(biāo)尺，是太陽(yáng)系留給人類珍貴的“宇宙時(shí)鐘”（圖1）。

圖 1 CCTV-1大型科學(xué)紀(jì)錄片《飛向月球》介紹SPA盆地規(guī)模

然而這個(gè)承載著太陽(yáng)系童年記憶的巨型撞擊盆地，它的形成時(shí)間卻讓行星科學(xué)家困惑了半個(gè)多世紀(jì)。目前主要通過兩種途徑推測(cè)其年齡：（1）撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年法給出從42.6至>43.3億年不等年齡，但該方法對(duì)40億年前事件的定年誤差較大，且月表正背面撞擊通量是否相同也直接影響結(jié)果的可靠性；（2）月球隕石及采自正面的阿波羅樣品揭示 43.5-43.3億年發(fā)生過一次全月球熱事件，推測(cè)與SPA撞擊相關(guān)。然而，月球早期重大地質(zhì)事件密集發(fā)生，這種時(shí)間標(biāo)定的不確定性，使我們難以判斷SPA盆地究竟是月球巖漿洋凝固的見證者、月球二分性的締造者、還是太陽(yáng)系晚期重型轟擊的揭幕者，直接阻礙了我們對(duì)月球早期演化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知，也限制了對(duì)太陽(yáng)系早期大型撞擊歷史的理解。

我國(guó)嫦娥六號(hào)任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)月球背面SPA盆地采樣返回，為直接測(cè)定該盆地形成時(shí)間提供了歷史性機(jī)遇。當(dāng)前樣品研究面臨三重挑戰(zhàn)：首先，著陸點(diǎn)位于SPA盆地內(nèi)部的阿波羅盆地月海區(qū)，該區(qū)域在SPA大撞擊后又歷經(jīng)多次撞擊及火山覆蓋，如何從多源混雜的月壤中甄別撞擊成因巖屑成為首要難題；其次，如何精準(zhǔn)測(cè)定這些巖屑的形成年齡是建立撞擊事件年代序列的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；最后，遙感光譜顯示SPA盆地與阿波羅盆地的非月海物質(zhì)均為蘇長(zhǎng)質(zhì)巖石，嫦娥六號(hào)月壤可能包含來自SPA盆地、阿波羅盆地及周邊撞擊坑的濺射物，如何在這些撞擊成因巖屑中準(zhǔn)確識(shí)別SPA盆地的撞擊熔巖是破解該盆地形成時(shí)間的核心挑戰(zhàn)。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所嫦娥六號(hào)攻關(guān)突擊隊(duì)陳意研究員團(tuán)隊(duì)，從5克月壤中分選出1600余顆大于200微米的巖屑，并從中挑選出20顆代表性蘇長(zhǎng)質(zhì)巖屑（圖2），開展巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，雖然這些蘇長(zhǎng)質(zhì)巖屑在礦物組成和全巖成分上與阿波羅樣品中巖漿侵入成因的蘇長(zhǎng)巖相同，但在礦物主微量元素特征方面存在顯著差異。極低揮發(fā)性元素含量、高Ni/Co比值及熔融殘留礦物等證據(jù)，均指示這些巖屑屬于撞擊熔融形成的一種新型月球蘇長(zhǎng)巖，將其命名為南極-艾特肯蘇長(zhǎng)巖（SPANs）。

圖2 嫦娥六號(hào)月壤中不同粒度的撞擊成因蘇長(zhǎng)巖

在這些蘇長(zhǎng)質(zhì)巖屑中，共發(fā)現(xiàn)33顆粒徑為1-5微米的含鋯礦物，包括20顆鈣鈦鋯石、7顆靜海石、5顆斜鋯石和1顆鋯石。對(duì)這些含鋯礦物進(jìn)行SIMS鉛同位素定年，識(shí)別出42.5億年和38.7億年兩期撞擊事件（圖3）。值得注意的是，其中5顆42.5億年的蘇長(zhǎng)質(zhì)巖屑呈現(xiàn)不同的礦物粒度和結(jié)構(gòu)，并且從粗粒到細(xì)粒礦物的主微量元素表現(xiàn)出系統(tǒng)的巖漿演化趨勢(shì)，揭示其源于同一大型撞擊巖漿池（impact melt sheet）不同層位的分離結(jié)晶過程（圖4）。

圖3 撞擊成因蘇長(zhǎng)巖含鋯礦物Pb-Pb同位素定年結(jié)果

圖4 42.5億年前SPA大型撞擊巖漿池結(jié)構(gòu)模型

為追溯這一古老撞擊蘇長(zhǎng)巖的源區(qū)，團(tuán)隊(duì)基于遙感數(shù)據(jù)，對(duì)SPA盆地內(nèi)部及周邊區(qū)域進(jìn)行了大范圍巖性填圖和溯源工作（圖5）。結(jié)果顯示，42.5億年的蘇長(zhǎng)質(zhì)巖屑最可能來自著陸區(qū)南緣、SPA盆地內(nèi)環(huán)的成分異常區(qū)，代表SPA大型撞擊巖漿池的產(chǎn)物。綜合以上證據(jù)，團(tuán)隊(duì)最終確定SPA盆地形成于42.5億年前。

圖5 SPA盆地及周邊大區(qū)域巖性分布圖（a，b），濺射物潛在來源（c），以及SPA盆地（d）和阿波羅盆地（e）非月海物質(zhì)巖石類型對(duì)比

該項(xiàng)工作表明，在太陽(yáng)系形成3.2億年后發(fā)生的巨型撞擊事件，不僅塑造了月球背面標(biāo)志性的SPA盆地，而且為月球撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年法提供了來自月背的初始錨點(diǎn)。該研究發(fā)現(xiàn)，基于月球正面樣品校正的撞擊曲線推算的SPA盆地模式年齡與同位素定年結(jié)果基本一致，這暗示著月球早期正面和背面的撞擊通量大致相當(dāng)。更為重要的是，該項(xiàng)工作確認(rèn)此前基于月球正面樣品認(rèn)識(shí)的發(fā)生在43.5-43.3億年的一次全月熱事件與SPA大型撞擊事件無關(guān)，這為精準(zhǔn)重塑月球早期一級(jí)演化序列提供了關(guān)鍵時(shí)間約束和重要理論支撐。

研究成果發(fā)表于國(guó)內(nèi)綜合性學(xué)術(shù)期刊NSR（蘇斌, 陳意*, 王則靈, 張迪, 陳浩杰, 芶盛, 岳宗玉, 劉艷紅, 原江燕, 唐國(guó)強(qiáng), 郭順, 李秋立, 林楊挺, 李獻(xiàn)華, 吳福元. South Pole–Aitken massive impact 4.25 billion years ago revealed by Chang'e-6 samples [J]. National Science Review, 2025.DOI:10.1093/nsr/nwaf103.）。該項(xiàng)研究由國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42225301和42441802），中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)與基礎(chǔ)研究局項(xiàng)目（QYJ-2025-0104），先導(dǎo)專項(xiàng)B（XDB0710000）和研究所重點(diǎn)部署研究項(xiàng)目（IGGCAS-202401）共同資助。