每逢中秋，賞月都是必不可少的環節。月亮不僅在中國傳統文化中有著團圓、思鄉、美麗、純潔等美好的意象，在科研人員的眼中，它同樣有著巨大的吸重力。作為地球的天然衛星，人類空間探測的第一站，我們渴望解開它的誕生、它的地質演化過程等謎題。
想了解遠在三四十萬千米之外的月球，實非易事。過去，人類對月球的認識和了解，多來自於其它探月經驗豐富、擁有月球樣品的國家。
直到 2007 年，嫦娥一號發射，中國科學家研究月球的機會和能獲得的資源終於大幅提升。特別是 2020 年嫦娥五號采集月球樣品並順利返回地球以來，全球科學家特別是中國科學家已經利用這些「新鮮」的月球樣品完成了大量科研任務，並取得了諸多重要的研究成果。
根據 2024 年 9 月 6 日發表在【科學】上的一項研究，中國的科學家們從 3 克的嫦娥五號月球樣本中挑選出了 3000 多顆微小的玻璃球，又透過手動挑選、微量元素分析和同位素分析等方式挑選出 3 顆火山活動噴發產生的玻璃球。最後，根據對這些玻璃球的同位素測年分析，發現它們的年齡約為 1.2 億年，也就是說月球在 1.2 億年前仍然存在火山活動。
有些關註科學新聞的讀者可能已經註意到了，中國科學家在 2 年前也有過類似的研究成果，只不過當時的結果認為月球至少在 20 億年前仍然存在火山活動。這次的發現又將月球的火山活動歷史大大拉長了。
顯微鏡下的 3 顆火山玻璃珠（圖片來源：參考文獻1）
研究月球火山運動
讓我們了解了月球誕生過程
那麽，科學家們為什麽這麽重視對月球火山活動的研究呢？
首先，這有助於我們認識地-月系統的起源，並且厘清月球的地質演化史。目前最被廣泛接受的地月起源理論是「大碰撞理論」，這一理論認為在太陽系非常早期（45.27 億年前左右）的時候，原始地球與一顆和目前火星差不多大小的原行星忒伊亞（Theia）碰撞，碰撞產生的巨大能量導致忒伊亞被氣化、熔融，殘骸則被地球吞掉。碰撞後殘留的部份物質被帶入環繞地球的軌域中，經過吸積之後，最終形成了原始月球。
原始地球與忒伊亞的碰撞想象圖
由於大碰撞時產生了巨大能量，原始月球被認為是一個幾乎完全熔融的巖漿球，在隨後的冷卻過程中，巖漿中那些耐高溫的礦物（橄欖石以及輝石等）首先冷卻析出，並且沈澱在巖漿深處形成下月幔。
此後，巖漿開始析出另一些不那麽耐高溫的礦物——鈣長石，但是鈣長石密度很小，所以會漂浮在巖漿上層，形成一個鈣長石層的月殼，根據阿波羅任務采集到的樣本，科學家們認為最古老的初始月殼年齡甚至大於 44 億年，最年輕的初始月殼也不過 42.9 億年。
接著，由於前述成分從巖漿中先後析出，剩下的巖漿部份逐漸富集鐵，並形成了上月幔。最後剩下的巖漿形成了一層原克里普層（urKREEP）。
至此，月球發展出原始的核-幔-殼圈層。
（圖片來源：參考文獻 2）
但接下來又發生了兩件「特別」的事情。
一是在原始月幔形成後 1000 萬年左右，由於下月幔密度比上月幔小，因此月幔開始翻轉，富鐵的上月幔物質下沈，富鎂的橄欖石和低鈣輝石下月幔物質上浮。在這個過程中，重力勢能的轉化重新讓已經結晶成巖的物質熔融成玄武質巖漿。它們在上升過程中吸收了原克里普層的物質後形成了一層次生月殼。
（圖片來源：參考文獻 2）
（圖片來源：參考文獻 2）
二是在上述過程完成後，在大約 43 億~38 億年之間，太陽系內曾出現過大規模撞擊事件，這些撞擊事件形成了月球表面的大型盆地以及數量眾多的撞擊坑。其中規模較大的撞擊坑，比如直徑約為 2400 千米×2100 千米的南極-艾肯盆地可能在當時就直接撞穿了月殼，甚至將月幔物質也撞到了月表。
南極-艾肯盆地以及其他撞擊坑（圖片來源：Wikipedia）
一方面，這些撞擊可能直接導致撞擊坑周圍物質熔融，另一方面，由於月殼可能因此而被削薄，月幔所受到的壓力驟減，因此觸發了降壓熔融（原本月幔被壓，現在壓力消失，月幔中因壓力而儲存的能量驟然釋放，自然就會導致熔融）。
因此，在多方面的因素下，月球在 40 億~30 億年之間曾發生過劇烈的巖漿活動。這些巖漿活動形成的玄武巖溢流造就了我們在月球正面觀察到的大面積黑色月海。而在此之後，月球上的巖漿活動就極為稀少了。
我們看到的月球正面的大面積黑色被稱為月海，它們都是大面積巖漿溢流形成的（圖片來源：NASA）
西方國家提出的月球演化理論
真的完全正確嗎？
以上的理論都建立在阿波羅等一系列之前的探月任務采集到的標本上。但是這些標本采集的區域幾乎都集中在月球低緯度區域，而且采集的時間也已經過去比較久了，它們並不能代表月球的實際情況。
根據這些年高精度遙感觀測的研究，科學家發現月球的火山活動可能可以延續到 10 億年前左右。根據兩年前的對嫦娥五號月球樣品的研究，確實在樣本中發現了 20 億年前的火山活動證據，再加上這次發現的 1.2 億年前的火山活動證據，足以證明原本的月球演化模型並不完全正確。
從純科學的角度來說，科研工作者可以修正或者有機會重新覆寫這個月球演化模型。中國的科研工作者，在這一領域也開始有了自己的發言權。
另外，月球上火山活動的研究也有助於我們解答一些還未搞清楚的問題。比如，月球正面和背面的景觀完全不同，在月球正面存在大面積月海，正如前文所說，這是大面積巖漿活動的產物，而在月球背面，月海面積則非常小。科學家們將其稱為月球發育過程中的不對稱性，但這種不對稱性是如何導致的卻至今未有定論。對月球火山活動的研究也有助於解答這些問題。
月球背面的景觀，可以發現與前文中月球正面景觀完全不同
其次，對月球火山活動的研究，對於研究其他無水無板塊運動的類似小行星具有很大的參考意義。對月球巖漿活動歷史的研究在更專業的語境下叫作「熱演化史」。之所以叫這個名字，是因為其他的小行星形成過程也與月球形成類似，它們形成之初幾乎都是溫度高達數千度巖漿球。
由於與宇宙背景溫度的差異，它們自形成後就一直在降溫，由於越靠外層降溫越快，巖漿降溫後就會形成巖石，所以我們見到的巖質行星基本上都有殼-幔-核的相似結構。
目前根據月球的演化模型，科學家們認為類似的小行星在誕生以後很快就會完全冷卻下來，但是這些新發現則動搖了這些看法，我們很有可能在其他類似小行星上也有機會發現比較年輕的火山活動。
各大行星的衛星（圖片來源：Wikipedia）
最後，對月球火山活動的研究，在並不遙遠的開發月球的未來也可能具有非常重要的指導意義。因為火山活動是由地下巖漿活動引起的，而巖漿活動活躍的地方往往又是礦物和水的富集區，因此這其實對於未來人類在月球上的定居和開發也具有重要意義。
巖漿其實就意味著水，這聽起來很反常識，但事實確實如此。換個角度來講，巖漿其實就是充滿了各種化合物的高溫熾熱溶液，它包含了大量的水——這些水有些可能是以氫離子或氫氧根離子的形式存在於各類化合物中的，透過巖漿中的化學反應可以隨時形成，更多的水則因為巖漿處於地下深處，壓力很大，直接可以以超臨界水的形式存在。一旦巖漿湧出地表，水就會形成水蒸氣隨之噴出。因此巖漿活躍的地方，就意味著能源源不斷地獲得水。
此外，根據地球上的礦床學研究，許多重要礦產都源自巖漿熱液的活動，而要是能在地外天體上發現目前正在活動或是曾經活動過的巖漿區域，那麽對於未來的地外采礦也具有重要意義。
故事仍在繼續。
2024 年 6 月 25 日，嫦娥六號帶著世界首份月球背面樣品順利返回地球。這些樣品，又將如何重新整理我們對月球的認識呢？讓我們共同期待。
參考文獻
[1]Wang B W, Zhang Q W L, Chen Y, et al. Returned samples indicate volcanism on the Moon 120 million years ago[J]. Science, 2024, 385(6713): 1077-1080.
[2]Borg L E, Carlson R W. The evolving chronology of moon formation[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2023, 51(1): 25-52.
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作者丨地星重力
責編丨何通
審校丨徐來 林林
