在浩瀚的宇宙中，月球一直被认为是一颗早已沉寂的天体。科学家们曾经笃定，这颗地球的忠实伴侣在30亿年前就已经进入了永恒的休眠，火山活动早已偃旗息鼓，只留下斑驳的环形山诉说着远古的激情。2020年，嫦娥五号从月球正面的风暴洋带回的玄武岩样品，将月球火山活动的历史一举延长到20亿年前，震惊了整个科学界。然而，一个更深层的谜题随之浮现：是什么力量让月球在理应“油尽灯枯”的晚年，依然保持着火山活动的能力？

中国科学院地质与地球物理研究所保存的月球土壤样本

（中国科学院地质与地球物理研究所）

传统理论在这个问题面前显得捉襟见肘。按照经典的行星热演化模型，像月球这样的小天体应该早已冷却凝固。于是，科学家们曾提出各种假说——或许是放射性元素提供了额外热源，或许是水降低了岩石的熔点——但嫦娥五号样品的分析结果却一一否定了这些猜测。源区既不富水，也缺乏放射性生热元素，月球晚期火山活动的动力机制成为了一个亟待破解的科学难题。

2024年6月，当嫦娥六号从月球背面南极-艾特肯盆地带回1935.3克珍贵样品时，中国科学院广州地球化学研究所副研究员汪程远和中国科学院院士徐义刚带领的研究团队，联合香港大学博士钱煜奇等科学家，终于找到了打开这个谜题的钥匙。通过对形成于28亿至29亿年前的两类玄武岩的深入分析，他们不仅重建了月球内部的精细结构，更揭示了一个前所未知的热动力机制——岩浆底侵加热。这个发现不仅解答了困扰科学界多年的难题，更为我们理解其他小型天体的地质演化提供了全新的视角。2025年8月23日，相关研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。

我国科研人员制作的月球背面影像图

（新华社）

从诞生到沉寂：月球45亿年的史诗

月球的故事始于一场宇宙级的碰撞。约45亿年前，一颗火星大小的天体“忒伊亚”斜撞向初生的地球，这场被称为“大撞击”的灾难性事件，却意外地为地球塑造了一位永恒的伴侣。撞击产生的碎片在地球引力的牵引下逐渐聚集，最终凝聚成了月球。初生的月球表面是一片深达数百公里的岩浆海洋，温度高达1700摄氏度，炽热的熔岩如同一个巨大的熔炉，在黑暗的太空中散发着暗红色的光芒。

忒伊亚与地球碰撞后产生月球。忒伊亚星形成于地球拉格朗日点L4，然后朝碰撞点移动。动画仅显示一年，所以地球看似不动

（维基百科）

随后的数千万年里，这片岩浆海洋开始了缓慢而有序的冷却。轻质的斜长石矿物像泡沫一样上浮，逐渐形成了月球的原始地壳——那些我们今天看到的明亮高地。而密度较大的橄榄石和辉石则下沉到深处，构成了月幔的主体。在结晶的最后阶段，富含钛和铁的矿物形成了一层特殊的堆积体，为后来的火山活动埋下了伏笔。

39亿年前，月球迎来了它历史上最辉煌的火山时代。从月海玄武岩的大规模喷发，到充填巨大撞击盆地的熔岩流，月球表面发生了翻天覆地的变化。那些我们用肉眼就能看到的暗色区域——雨海、静海、风暴洋，都是这个时期火山活动的杰作。熔岩如河流般在月表流淌，有些熔岩流甚至绵延数百公里，厚度达到数十米。

然而，随着内部热量的逐渐散失，月球的地质活动开始走向衰退。岩石圈不断增厚，从最初的几十公里增长到后来的200多公里，如同给月球穿上了一件越来越厚重的石质外衣。火山喷发变得越来越稀少，越来越微弱。科学家们曾经认为，到了30亿年前，月球就已经完全“老去”，成为了一个地质上毫无生机的天体。直到嫦娥五号和嫦娥六号的发现，才让我们意识到，即使在20多亿年前，月球依然保持着最后的地质脉动，用零星的火山喷发诉说着它不甘沉寂的倔强。

地球与忒伊亚碰撞瞬间的想象图

（NASA）

两种玄武岩的身世之谜

在嫦娥六号带回的月壤中，研究团队识别出了两类截然不同的玄武岩。第一类是低钛玄武岩，形成于约28亿年前，含有约5%的钛铁矿；第二类是超低钛玄武岩，形成时间略早，约29亿年前，钛铁矿含量不足1%。这两类岩石虽然形成时间相近，但它们的“出生地”却大不相同。

通过精密的矿物学分析和地球化学模拟，研究团队发现低钛玄武岩源自月幔60至80公里的深度，而超低钛玄武岩则来自更深的120公里处。这种深度上的差异不仅反映了月球内部的层状结构，更揭示了一个重要的演化趋势：随着时间推移，火山活动的源区正在逐渐变浅。

更令人着迷的是这两类岩石的矿物组成。低钛玄武岩中的辉石呈现出复杂的成分变化，从富镁到贫镁，记录了岩浆演化的完整过程。而超低钛玄武岩则显示出更为原始的特征，其辉石成分相对均一，暗示着较少的分异作用。通过锶同位素分析，研究团队还发现两类玄武岩具有不同的初始锶同位素比值，进一步证实了它们来源于不同的月幔储库。

月球深处的“千层饼”

在之前描述过的月球表面岩浆海洋结晶的最后阶段，形成了一种特殊的岩层——含钛铁矿的堆晶体，科学家称之为IBC（Ilmenite-Bearing Cumulate）。这层富含钛铁矿和辉石的岩石，恰恰就是嫦娥六号低钛玄武岩的源区。由于密度较大，理论上IBC应该下沉到月幔深处，但研究表明，月幔的翻转过程并不完全，部分IBC依然停留在浅部月幔中，就像一块没有完全搅拌均匀的千层饼。

汪程远和徐义刚团队通过地球化学模拟发现，低钛玄武岩的源区含有约70%的辉石和3%的钛铁矿，这与IBC的成分特征高度吻合。而超低钛玄武岩则源自几乎不含钛铁矿的辉石岩层，代表了岩浆海洋结晶过程中更早期的产物。这种垂直方向上的成分分层，为我们描绘出了月球内部结构的精细图景。

被“卡住”的岩浆如何点燃火山

传统观点认为，月球晚期火山活动可能与两个因素有关：一是源区富含水分，降低了岩石的熔点；二是富含钾、钍、铀等放射性生热元素（KREEP物质），提供了额外的热源。然而，嫦娥五号和嫦娥六号的样品分析结果却给出了否定的答案——这些年轻玄武岩的源区既“干燥”又缺乏KREEP成分。

KREEP是月球地质学中的一个专业术语，由钾元素符号K、稀土元素缩写REE（Rare Earth Elements）和磷元素符号P组合而成，常翻译为克里普。这类物质常见于月球的撞击角砾岩和某些玄武岩中，其最重要的特征是富含不相容元素——这些元素在矿物结晶过程中倾向于留在熔体中，难以进入固体晶格。KREEP物质中特别富集的放射性生热元素包括铀、钍和钾（主要是放射性同位素钾-40），这些元素的放射性衰变能够产生热量，曾被认为可能是驱动月球晚期火山活动的热源之一。

NASA月球探勘者号映射出的月球钍（Th）浓度。钍与克里普矿物的位置有着密切关联。

（NASA）

那么，是什么力量驱动了月球在“晚年”依然保持火山活力呢？研究团队提出了一个创新性的机制：岩浆底侵加热模型。随着月球的持续冷却，其外层的岩石圈不断增厚，从早期的几十公里增加到晚期的200多公里。这就像给月球穿上了一件越来越厚的“棉袄”，使得深部的岩浆难以直接突破到地表。

这些来自深部月幔的岩浆在上升过程中遇到了阻碍，被迫滞留在浅部IBC层的底部。想象一下，这就像热水在密闭容器底部不断加热上层的水一样。滞留的岩浆持续向上传导热量，最终使得浅部的IBC发生部分熔融，产生了新的岩浆。这些新生成的岩浆由于源区较浅，更容易找到通道喷发到月表，形成了我们今天看到的年轻玄武岩。

月球晚期火山活动想象图

（研究团队）

通过数值模拟，研究团队计算出当岩浆底侵通量达到每百万年0.2至2公里时，足以在数千万年内将110公里和80公里深度的岩石加热到熔点以上。这个过程解释了为什么嫦娥六号的两类玄武岩显示出源区深度随时间变浅的趋势——早期的超低钛玄武岩来自120公里深处，而稍晚的低钛玄武岩则来自60至80公里。

月球的不对称之美

当研究团队将目光投向全月球的遥感数据时，一个有趣的规律浮现出来。通过分析Clementine探测器的光谱数据，他们发现月球正面和背面的年轻火山岩存在显著的化学差异。正面的晚期玄武岩钛含量普遍较高，平均约5.4%，与嫦娥五号样品相似；而背面则以低钛和超低钛玄武岩为主，平均仅1.6%，与嫦娥六号的超低钛样品接近。

这种差异可能反映了月球内部结构的根本不对称性。月球正面的浅部月幔可能含有更厚、钛铁矿含量更高的IBC层，而背面的IBC层则相对较薄且贫钛。造成这种不对称的原因可能有多个：首先，月球形成早期的岩浆海洋结晶过程可能本身就不均匀，正面结晶较晚，产生了更多的晚期富钛堆晶体；其次，约43亿年前的南极-艾特肯盆地撞击事件可能改造了月球背面的浅部月幔，使其部分熔融并失去了一些不相容元素。

研究团队通过锶钕同位素分析发现，嫦娥六号低钛玄武岩显示出高度亏损的特征，这与预期的IBC富集特征不符。他们推测，南极-艾特肯盆地的巨大撞击可能导致了撞击区域下方月幔的减压熔融，产生的熔体被抽取到撞击熔融层中，使得残留的月幔变得更加亏损。这个过程就像是对月幔进行了一次“重组”，改变了其原有的化学特征。

嫦娥五号月面取样返回任务介绍

（行星学会）

重新认识我们的邻居

嫦娥六号的研究成果不仅改写了月球火山活动的历史，更为我们理解太阳系内其他小型天体的演化提供了重要参考。月球作为地球最近的天体邻居，其内部结构和热演化历史的复杂性远超我们的想象。从45亿年前的岩浆海洋，到30亿年前的活跃火山活动，再到20亿年前依然保持的地质活力，月球展现出了一个动态演化的过程。

汪程远、徐义刚及其合作者的这项研究，标志着中国探月工程在基础科学研究领域取得的又一重要突破。通过对嫦娥六号样品的深入分析，科学家们不仅解答了月球年轻火山活动的热源之谜，还揭示了月球内部结构的精细特征和演化规律。

当我们仰望夜空中那轮明月时，不妨想象一下：在那看似平静的表面之下，曾经有炽热的岩浆在涌动，有火山在喷发，有一个充满活力的世界在演化。月球并非一个早已“老去”的天体，而是一个有着丰富地质历史的邻居，它的故事还在被我们一点点揭开。随着中国探月工程的持续推进，相信还会有更多令人惊叹的发现等待着我们。

参考文献

1.Wang et al., Sci. Adv. 11, eadv9085 (2025) 22 August 2025. The source and thermal driver of young (<3.0 Ga) lunar volcanism

出品：科普中国

作者：吴刚（物理学博士）

监制：中国科普博览