在月球上行駛的玉兔號(hào)月球車。圖片來(lái)源：CNAS/CLEP
2013年，嫦娥三號(hào)探測(cè)器著陸在月球雨海盆地的北部，這是地球上看過(guò)去月面上最顯眼的一塊被熔巖覆蓋的撞擊盆地。
美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯分校的地球及行星科學(xué)教授布拉德利·L·喬立夫（Bradley L. Jolliff）說(shuō)，這是一片美麗的著陸地點(diǎn)。他參與了一項(xiàng)教育合作計(jì)劃，幫助分析子嫦娥三號(hào)發(fā)回的數(shù)據(jù)。嫦娥三號(hào)著陸在一塊平滑的玄武巖平原上，緊挨著一個(gè)相對(duì)“新鮮”的撞擊坑（現(xiàn)在被正式命名為紫薇撞擊坑），這個(gè)撞擊坑將風(fēng)化層（即月球地表由破裂巖石構(gòu)成的表層）之下的基巖翻掘了出來(lái)，方便月球車玉兔對(duì)它展開研究。
自阿波羅計(jì)劃終結(jié)以來(lái)，美國(guó)的月球探測(cè)主要由軌道探測(cè)主導(dǎo)。然而，軌道上的傳感器主要探測(cè)的是覆蓋在月球表面的風(fēng)化層，而風(fēng)化層通常由多種礦物混合，很難解釋清楚。
由于嫦娥三號(hào)著陸在相對(duì)年輕的熔巖流上，風(fēng)化層較薄，而且沒(méi)有與來(lái)自其他地方的碎片混合。因此，它的化學(xué)構(gòu)成與底層的火山基巖十分類似。這種特性使得著陸地點(diǎn)成為了一個(gè)理想的地點(diǎn)，可以用來(lái)比較就地探測(cè)與在軌衛(wèi)星遙感探測(cè)的化學(xué)構(gòu)成有什么區(qū)別。
喬立夫說(shuō)，“現(xiàn)在，我們給遙感探測(cè)器找到了一個(gè)'地面實(shí)況’數(shù)據(jù)，在一個(gè)關(guān)鍵位置得到了測(cè)量精準(zhǔn)的樣本。我們的在軌探測(cè)也在其他位置看到過(guò)同樣的信號(hào)，現(xiàn)在我們知道，那些地方可能也有類似的玄武巖?！?/p>
嫦娥三號(hào)著陸地點(diǎn)的玄武巖，經(jīng)過(guò)分析，也不同于阿波羅任務(wù)和其他月面采樣返回任務(wù)帶回地球的任何樣本。
喬立夫說(shuō)，“這種多樣性告訴我們，月球的上地幔與地球相比，化成成分的均勻性要差很多。把化學(xué)構(gòu)成與巖石年齡關(guān)聯(lián)起來(lái)，我們能夠看到月球上的火山活動(dòng)隨時(shí)間的變化。”
對(duì)這些數(shù)據(jù)的采集和分析，12月22日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。合作這項(xiàng)研究的科學(xué)家，一方面來(lái)自參與嫦娥三號(hào)任務(wù)的多個(gè)中國(guó)研究機(jī)構(gòu)，另一方面則來(lái)自于山東大學(xué)（威海）和華盛頓大學(xué)圣路易斯分校之間長(zhǎng)期的一項(xiàng)教育合作項(xiàng)目。
嫦娥三號(hào)著陸于月球的雨海北部，這里的玄武巖形成年齡要比阿波羅登月地點(diǎn)更加年輕。圖片來(lái)源：NASA
月球，被認(rèn)為是一顆火星大小的天體與地球相撞而產(chǎn)生的，最初是一個(gè)熔融或者部分熔融的天體，隨著冷卻才逐漸分離出了月球的地殼、地幔和地核。不過(guò)，月球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量逐漸聚焦起來(lái)，又重新熔融了部分月球地幔，在月球形成大約5億年后開始噴發(fā)到月球的表面，在撞擊坑和撞擊盆地內(nèi)匯聚而形成月海。絕大多數(shù)月海都位于月亮朝向地球的一面。
美國(guó)的阿波羅計(jì)劃（1969－1972）和蘇聯(lián)的月球計(jì)劃（1970－1976）采集到的月球玄武巖樣本，都來(lái)自于月球火山活動(dòng)的巔峰時(shí)期，形成于大約30億到40億年前。而嫦娥三號(hào)著陸的雨海盆地，所含的熔巖流相對(duì)年輕一些，距今只有不到30億年。
阿波羅和月球計(jì)劃采回的玄武巖，要么鈦含量較高，要么鈦含量極低，根本不存在鈦含量適中的情況。而據(jù)山東大學(xué)（威海）空間科學(xué)及物理學(xué)院副教授凌宗成博士所說(shuō)，玉兔號(hào)月球車上攜帶的α粒子X(jué)射線光譜儀和近紅外高光譜成像儀所作的測(cè)量表明，嫦娥三號(hào)著陸點(diǎn)的玄武巖鈦含量適中，并且富含鐵。凌宗成是那篇論文的第一作者。
在測(cè)繪和理解月球火山活動(dòng)方面，鈦元素特別有用，因?yàn)樗暮坎町悩O大，從二氧化鈦質(zhì)量比不足1%，一直到超過(guò)15%不等。這種差異反映了早期月球地幔海洋開始凝固時(shí)，月球地幔的不同區(qū)域存在顯著的不同。
華盛頓大學(xué)文理學(xué)院地球與行星科學(xué)研究教授王阿蓮（Alian Wang，音譯）解釋說(shuō)，礦物結(jié)晶從玄武巖巖漿中析出是有一個(gè)特定順序的。通常，最先結(jié)晶的是兩種富含鎂和鐵的礦物（橄欖石和輝石），它們的密度都比巖漿稍大一些，會(huì)往下沉，然后另一種礦物（斜長(zhǎng)石）密度較小，會(huì)上浮到巖漿表面。這種由結(jié)晶導(dǎo)致的分離過(guò)程，在巖漿海洋冷卻的過(guò)程中形成了月球的地幔和地殼。
鈦?zhàn)詈罅粼诹艘环N礦物當(dāng)中，被稱為鈦鐵礦（FeTiO3），這種礦物通常不會(huì)結(jié)晶，除非到了非常非常晚的時(shí)期，原始巖漿中只有大約5%還處在熔融狀態(tài)之時(shí)。當(dāng)它終于結(jié)晶的時(shí)候，富含鈦鐵礦的物質(zhì)也會(huì)因?yàn)槊芏容^大而沉入月球地幔，形成鈦富集區(qū)。
喬立夫說(shuō)，“月球表面鈦分布的差異性顯示，月球內(nèi)部并非完全均勻。我們還在嘗試弄清楚，這到底是怎么發(fā)生的?；蛟S在巖漿海洋時(shí)期發(fā)生過(guò)大規(guī)模天體撞擊，打亂了月球地幔的形成?！?/p>
月球雨海盆地的四幅遙感圖片，顯示了嫦娥三號(hào)的著陸地點(diǎn)（箭頭所指）在不同的遙感探測(cè)器眼中有何不同。嫦娥三號(hào)和玉兔號(hào)月球車的實(shí)地考察，對(duì)于校準(zhǔn)這些遙感探測(cè)的結(jié)果至關(guān)重要。圖片來(lái)源：NASA/LPI
另一件讓人糾結(jié)的發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了比對(duì)在軌遙感數(shù)據(jù)與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的重要性。對(duì)嫦娥三號(hào)著陸地點(diǎn)的遙感數(shù)據(jù)顯示，這里不只含有鈦元素，而且富含橄欖石。
王阿蓮表示，這根本就說(shuō)不通，因?yàn)殚蠙焓ǔ＝Y(jié)晶較早，而鈦鐵礦要很晚才能結(jié)晶。找到一塊巖石同時(shí)富含兩種礦物，是有一點(diǎn)奇怪的。
不過(guò)玉兔號(hào)月球車破解了這一難題。在橄欖石中，硅與鎂或鐵配對(duì)，但這后兩種元素的比例在不同階段形成的這種礦物中可謂千差萬(wàn)別。早期形成的橄欖石應(yīng)該富含鎂，而玉兔號(hào)測(cè)量的橄欖石中，鐵含量中等甚至偏高。
喬立夫說(shuō)，“這樣就說(shuō)得通了，因?yàn)楦缓F的橄欖石和鈦鐵礦很可能是同時(shí)結(jié)晶形成的。不過(guò)你仍然得解釋，為什么會(huì)有一塊巖石既富含橄欖石，又富含鈦鐵礦。一種辦法是，混合兩種不同的來(lái)源?！?/p>
科學(xué)家指出，巖漿海洋結(jié)晶晚期，富含鐵的輝石和鈦鐵礦在月球地殼和地幔交界處形成，可能開始下降，而早期形成的富含鎂的橄欖石可能開始上浮。這個(gè)過(guò)程就會(huì)導(dǎo)致兩種礦物混合在一起。
喬立夫說(shuō)，“考慮到那些數(shù)據(jù)，這就是我們的解釋。”
無(wú)論如何，這些最新被測(cè)定性質(zhì)的玄武巖都清楚地表明，月球要比當(dāng)年阿波羅和月球任務(wù)之后那些研究所揭示的月球更加多樣。喬立夫說(shuō)，遙感探測(cè)顯示，月球上還有更年輕和更多樣的玄武巖，等待未來(lái)的無(wú)人探測(cè)器或者人類宇航員前去調(diào)查。
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