自月球形成以來，小行星撞擊是其最主要的外動力地質(zhì)過程，塑造了遍布月表的撞擊坑與盆地，顯著改變了月表的形貌與化學組成。近日，我國科學家通過對嫦娥六號采集的月球背面樣品的高精度鉀同位素分析，揭示了大約42.5億年前南極-艾特肯盆地撞擊事件對月球演化的影響：這次撞擊不僅砸出了月球上最大的坑，還導致月幔中等揮發(fā)性元素丟失。
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員田恒次說，大約在42.5億年前，月球遭到了一次大撞擊，形成了月球背面的南極-艾特肯盆地，簡稱為SPA。
田恒次：月球可能是45億年前左右形成的，大概到42.5億年前，這個時候月球的背面經(jīng)受了一個非常大的撞擊，這個撞擊根據(jù)現(xiàn)在的數(shù)值模擬研究，應該是大概長度200~400公里的隕石，撞擊了月球的背面，形成了現(xiàn)在月球南極-艾特肯盆地。
然而，這次的大型撞擊事件是否以及如何影響月球深部，仍然不清楚。田恒次表示，根據(jù)此前的研究，這次撞擊對月幔的影響停留在數(shù)值模擬階段，缺乏直接的證據(jù)。
田恒次：這個撞擊它可能沒有那么大的能量能夠穿透月殼，影響月幔。但是SPA作為月球上最大的撞擊盆地，前人提出了一種觀點說月球上的這個大的撞擊盆地它不但撞了月殼，甚至對月幔也產(chǎn)生了一個非常明顯的影響，這種巨大的沖擊很可能會使月球的正面和背面產(chǎn)生成分的差異，還有它一些生熱元素的差異，包括火山活動。但是這個工作一直停留在數(shù)值模擬的階段。
嫦娥六號任務采集了月球最大的撞擊盆地——南極-艾特肯盆地的樣品，為研究南極-艾特肯大型撞擊事件及其效應提供了關(guān)鍵樣品。田恒次長期從事同位素的研究，這次為了搞清楚撞擊事件對月幔的影響，他的團隊將研究對象瞄準了鉀元素和鉀同位素。
田恒次：元素種類很多，有一些元素包括鐵、鎂這些元素特別穩(wěn)定，在撞擊的時候，它有可能會保持不變。還有一些元素就是中等揮發(fā)性的元素，包括鉀、銅、鋅。還有一種就是易揮發(fā)的元素，包括硫、氯等，這些元素更容易揮發(fā)。我們考慮到鉀元素在玄武巖當中，在中等揮發(fā)性元素、揮發(fā)性元素里面，它的含量是最高的。所以在分析起來的時候，相對比其他元素，它的樣品的消耗量會稍微低一點。
此外，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所先進的儀器有利于得出高精度的鉀同位素數(shù)值。高精度同位素分析能夠通過測量同位素比值的微小變化，精準捕捉撞擊事件留下的信息。其中，中等揮發(fā)性元素的同位素體系具有特殊的研究價值——這些元素在撞擊產(chǎn)生的高溫條件下易發(fā)生揮發(fā)與分餾，它們的同位素組成能夠靈敏記錄撞擊過程中的溫度、能量及物質(zhì)來源信息，是揭示撞擊規(guī)模、熱歷史及其對月殼和月幔物質(zhì)改造的關(guān)鍵“同位素指紋”。
綜合各方面考慮后選擇的鉀元素沒有讓團隊失望。研究團隊對毫克級嫦娥六號玄武巖單顆粒進行了高精度鉀同位素分析。結(jié)果顯示，與來自月球正面的阿波羅樣品相比，嫦娥六號玄武巖具有更高的鉀-41/鉀-39比值。
田恒次：結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)鉀它真的是比阿波羅樣品重0.16‰。那么，我們經(jīng)過了多方面的分析，排查了宇宙射線的照射作用，還有撞擊體的加入，以及巖漿過程等，發(fā)現(xiàn)這些過程它實際上并不能夠解釋嫦娥六號玄武巖的鉀同位素為什么重。最后，我們認為所有的證據(jù)都指向很可能跟SPA的撞擊有關(guān)。
團隊在排除了其他可能的原因后，證實撞擊事件改變了月幔的鉀同位素組成，造成鉀的虧損與同位素升高。在撞擊產(chǎn)生的瞬時高溫高壓過程中，較輕的同位素(如鉀-39)往往優(yōu)先逃逸，導致殘余物質(zhì)中同位素比值升高。田恒次表示，團隊還合理推測出，多種揮發(fā)分的丟失可能抑制了月球背面后期的火山活動。
田恒次：我們猜測比鉀更容易揮發(fā)的那些元素，比如說氯、硫，它很可能也會發(fā)生丟失，這些元素叫易揮發(fā)的元素，這些元素如果在一個巖石里面的含量降低的話，這些巖石后期可能會比原來不丟的時候更難發(fā)生熔融，所以它后期巖漿的產(chǎn)生量應該會降低，也就是說，它的火山活動可能會有所下降。
這一發(fā)現(xiàn)為理解月球正背面不對稱的地質(zhì)演化歷史提供了關(guān)鍵線索。田恒次表示，接下來，他們還將對其他元素進行高精度分析，以進一步佐證這一推測。
田恒次：如果這個說法成立的話，理論上應該在其他的揮發(fā)性元素要比鉀更弱一點。更容易揮發(fā)的，比如說銅、鋅，理論上它們的同位素也應該有一個更明顯的變化，所以我們后面將對一些其他的揮發(fā)性元素進行高精度的同位素分析，以交叉來驗證我們提出的這個假說。
另一方面，對于嫦娥六號帶回的樣品同位素的研究也將更加深入，來揭示SPA大撞擊事件更多的奧秘。
田恒次：這些元素是在撞擊的什么時候發(fā)生的丟失的？這些元素丟失的時候，一共持續(xù)了多長時間？丟失的時候是以什么樣的相態(tài)來丟失的？比如說鉀元素的丟失，是以單質(zhì)鉀的形式丟失的，還是以氧化鉀、氯化鉀等方式，我們現(xiàn)在還不清楚。所以這是我們后面要開展的研究工作，盡可能去恢復SPA盆地撞擊時候的過程。
來源：中央廣播電視總臺中國之聲