月球形成初期曾經(jīng)歷劇烈的小天體撞擊事件，其表面廣泛分布的巨型撞擊盆地（直徑超過300公里）是最直觀的地質(zhì)記錄。這些巨型撞擊盆地集中形成的時(shí)期被稱為月球晚期重轟擊（Late Heavy Bombardment，LHB），其本質(zhì)反映了月球撞擊通量的變化。關(guān)于LHB期間月球撞擊通量的變化，學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期存在兩種對(duì)立的觀點(diǎn)：1、撞擊通量自月球形成后呈現(xiàn)持續(xù)緩慢下降的趨勢(shì)； 2、撞擊通量在距今約38–40億年內(nèi)突然升高。導(dǎo)致這一爭(zhēng)議的主要原因是月球的大多數(shù)撞擊盆地缺乏精確的放射性同位素年齡的約束。嫦娥六號(hào)采樣點(diǎn)所在的阿波羅（Apollo）盆地直徑約540公里，作為月球南極-艾特肯（SPA）盆地內(nèi)最大的次級(jí)撞擊構(gòu)造，其形成年齡可能標(biāo)志著LHB的啟動(dòng)時(shí)間。因此，精確測(cè)定該盆地的形成年齡成為破解LHB之謎的關(guān)鍵。
圖1 嫦娥六號(hào)月壤中識(shí)別出的三顆KREEP巖屑
撞擊熔融巖石（impact melt rock）是月球巖石遭受撞擊時(shí)產(chǎn)生的高溫熔體冷卻結(jié)晶而形成的一類特殊月球巖石，被視為記錄月球撞擊歷史最理想的“地質(zhì)時(shí)鐘”。通過對(duì)這類巖石的精細(xì)年代學(xué)研究，有望獲得Apollo盆地的形成時(shí)代。中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所月球樣品研究小組陳景有博士后、張樂高級(jí)工程師等在徐義剛院士指導(dǎo)下，聯(lián)合大灣區(qū)研究團(tuán)隊(duì)（中山大學(xué)肖智勇教授和香港大學(xué)錢煜奇博士）以及國(guó)外合作者，從3.5 g嫦娥六號(hào)月壤樣中識(shí)別出三顆撞擊熔融巖屑（圖1）。這些巖石碎屑(150-350微米）具細(xì)粒嵌晶-斑狀結(jié)構(gòu)、高Co/Ni（11.2–14.6）鐵鎳金屬以及礦物組合不一致的冷卻速率等特征，且顯著富集不相容元素（圖2a-c），其Sr同位素符合KREEP（泛指富集鉀元素、稀土元素，磷元素及其他不相容元素組分的月球巖石）巖石演化的特征（圖2d）。因此本次發(fā)現(xiàn)的這三顆巖屑為富KREEP撞擊熔融巖石。
圖2 三顆撞擊熔融巖屑的微量元素成分以及Sr同位素組成。?
研究團(tuán)隊(duì)利用離子探針技術(shù)分析了兩顆巖屑中的含鋯礦物、磷酸鹽礦物以及其他硅酸鹽礦物，得到了具有非常一致的Pb-Pb年齡，分別為4164±7 Ma和 4184±40 Ma，平均加權(quán)年齡為41.6 億年，很可能對(duì)應(yīng)于一次大規(guī)模撞擊事件的發(fā)生時(shí)間。
圖3 ?最左側(cè)Pb-Pb等時(shí)線年齡。
考慮到嫦娥六號(hào)采樣點(diǎn)位于南極-艾特肯（SPA）盆地中的阿波羅盆地內(nèi)，上述獲得的撞擊年齡最有可能記錄的是SPA或者阿波羅盆地的形成時(shí)代。然而現(xiàn)有的樣品分析和撞擊坑統(tǒng)計(jì)研究表明，SPA盆地的形成年齡早于42億年前。因此，本研究分析的較年輕的撞擊熔體碎屑（~4.16 Ga）最有可能記錄的是阿波羅盆地的形成年齡。三顆巖屑的KREEP特征指示它們是阿波羅撞擊盆地形成的產(chǎn)物。SPA撞擊盆地內(nèi)部的KREEP物質(zhì)被認(rèn)為有三種可能的來源：1、雨海盆地撞擊對(duì)跖點(diǎn)濺射；2、SPA撞擊事件本身挖掘出的深部月球巖漿洋殘余物（urKREEP）；3、SPA撞擊熔融池的分異產(chǎn)物。本研究獲得的撞擊年齡（4.16 Ga）顯著老于雨海盆地的年齡（~3.9 Ga），并年輕于預(yù)計(jì)的SPA年齡，因而排除了第一和第二種來源。熱化學(xué)模型的結(jié)果顯示SPA撞擊熔融池可能經(jīng)歷了類似月球巖漿洋的結(jié)晶過程，導(dǎo)致晚期分異殘余物具有類似KREEP地球化學(xué)特征。地形地貌觀測(cè)表明，在阿波羅盆地形成以前，部分SPA撞擊熔融池分異的KREEP物質(zhì)已分布在Apollo盆地區(qū)域（圖4a）。因此，在阿波羅盆地形成時(shí)，該區(qū)域之前分布的KREEP物質(zhì)將無可避免地被改造，形成新的具有KREEP屬性的撞擊熔體。最后，由Chaffee S撞擊事件將阿波羅撞擊產(chǎn)生的富KREEP巖石輸送至嫦娥六號(hào)著陸區(qū)（圖4b）。
圖4 嫦娥六號(hào)月壤樣品中富KREEP撞擊熔融巖石成因模式圖。
綜合遙感數(shù)據(jù)、地球化學(xué)數(shù)據(jù)、巖石學(xué)特征和著陸區(qū)地質(zhì)背景等多方面的信息，本項(xiàng)工作證實(shí)了阿波羅盆地形成于距今約41.6億年前，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解太陽系晚期重轟擊（LHB）事件具有兩點(diǎn)新的指示意義。第一，基于撞擊坑頻率統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，阿波羅盆地的形成年齡略晚于酒海（Nectaris）盆地的形成年齡（圖5）。由于酒海盆地常被用作LHB事件的起始標(biāo)志，這一結(jié)果將LHB的起始時(shí)間進(jìn)一步約束至早于41.6億年。第二，撞擊通量的分析揭示LHB期間撞擊通量呈緩慢衰減，不支持災(zāi)變式（38-40億年間撞擊通量激增）的LHB。
圖5 晚期重轟擊（LHB）期間月球撞擊通量的變化模式圖
項(xiàng)目資助：本工作得到了中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所月球研究項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院與香港地區(qū)“化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”等的資助。
論文信息：
中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合粵港澳大灣區(qū)科研力量（中山大學(xué)、香港大學(xué)）及國(guó)際合作學(xué)者（英國(guó)曼徹斯特大學(xué)、美國(guó)布朗大學(xué)和圣母大學(xué)），通過對(duì)嫦娥六號(hào)返回樣品中撞擊熔融巖屑的系統(tǒng)分析，成功確定了嫦娥六號(hào)采樣點(diǎn)所在的阿波羅盆地形成于距今約41.6億年前，為揭示太陽系早期撞擊歷史提供了關(guān)鍵的時(shí)間錨點(diǎn)。
研究成果以“KREEP-like lithologies in the South Pole-Aitken basin reworked by the Apollo basin impact at 4.16 Ga”為題，于北京時(shí)間2025年8月20日星在線發(fā)表于Nature Astronomy。
論文共同第一作者為中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所陳景有博士后和張樂高級(jí)工程師，通訊作者為徐義剛院士。
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