嫦娥四号新发现！找到月球背面幔源物质初步证据

作为地球最亲近的邻居，人类对月球的探索从未停止。随着科技的发展，一张张高清晰的月球图像传回地球，让人们对月球有了越来越多的了解。然而，人类探索的脚步至今只停留在月球表面。在月壳之下，月幔的成分究竟是什么？对这一事关月球形成与演化的重大问题，科学界一直未有答案。

今日凌晨，国际科学期刊《自然》（Nature）在线发布了题为Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials的文章，这是我国月球与行星探测领域的一项重大发现。中国科学院国家天文台李春来研究团队利用嫦娥四号就位光谱探测数据，发现并证明了嫦娥四号着陆区的物质成分明显区别于月球正面的月海玄武岩，为富含橄榄石和低钙辉石的镁铁质物质，这种矿物组合很可能源于月幔，为冯·卡门（Von Kármán）撞击坑东北部芬森（Finsen）撞击坑的溅射物，研究成果加深了我们对月幔物质主要由哪些矿物组成的理解。

嫦娥四号探测器于2019年1月3日10时26分（北京时间）成功着陆在月球背面的冯·卡门坑预选着陆区内，这是中国也是国际首个开展月球背面软着陆和巡视勘察的探测器。嫦娥四号任务之前，人类已成功实施了20次月球软着陆探测任务，但无一例外全部集中在月球的正面区域（图1），月球背面始终是软着陆和巡视探测的空白区。中国实施的嫦娥四号任务，采用着陆器、巡视器和地月L2点中继星相结合的方式，首次在远达50万公里位置，实现月球背面与地球的中继通信，开启了人类月球探测历史的新篇章。

图1 人类成功实施的月球软着陆探测任务分布图

（图片来源：Nature Geoscience, 2019,https://doi.org/10.1038/s41561-019-0341-7）

嫦娥四号由着陆器、巡视器（“玉兔二号”月球车）和中继星组成，共携带了9种科学有效载荷，通过这些载荷配置共同完成嫦娥四号的科学目标：开展月球背面低频射电天文观测与研究；开展月球背面巡视区形貌、矿物组分和巡视区浅层结构探测与研究；试验性地开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测。今年3月28日，嫦娥四号任务概况及初步探测成果已发表在Nature Geosicence期刊上（Weiren Wu, Chunlai Li* et al. 2019）

搭载在“玉兔二号”月球车上的红外成像光谱仪（VNIS）由中国科学院上海技术物理所研制，主要用来完成月球背面巡视区矿物组分的探测任务。VNIS安装在月球车的前部，位于距月面0.69米的高度，以45°角对月球表面进行探测，由一个高光谱成像探测器和一个单点光谱仪组成。此次发表在Nature期刊的论文即是利用VNIS获取的矿物探测数据分析所取得的研究成果。

与地球相似，月球由核、幔、壳构成。科学家根据月球早期演化理论推断，随月球岩浆演化，较轻的斜长石组分上浮结晶形成月壳，而橄榄石、辉石等较重的矿物下沉结晶形成月幔（图2）。但因月壳比较厚，采集到的月球样品都来自月球最表面的一层。而且月球已经基本没有火山和板块运动，所以在月球表面找到深部月幔物质的机会很少。无论是美国Apollo和苏联Luna探测任务采回的月球样品，还是环月探测器的遥感数据，都没有发现与月幔具体物质组成相关的直接证据，这一关于月幔物质组成的推论一直没有被很好地证实。

图2 月球内部结构可能的解释（a）月球岩浆被设定为深550km，下月幔由原始的未熔融物质组成。（源自Wieczorek et al.,《Reviews in mineralogy and geochemistry, Vol 60》）（b）月球最内部的物理分层结构（源自Science, 331, 309-312,2011）。

嫦娥四号着陆于直径186公里的冯Ÿ·卡门坑内，地处直径2500公里、深13公里的月球背面南极-艾特肯（SPA）盆地（图3）之中。SPA盆地形成于40多亿年前的天体撞击，是月球表面最古老、最大的撞击盆地，其最有可能减薄月幔之上月壳的厚度，甚至撞穿月壳，暴露出富含橄榄石的月幔物质。在SPA盆地形成后，继续遭到小天体撞击形成更多的小撞击坑。发生于SPA盆地中的这些撞击事件则可作为一种“深钻”，将SPA盆地表面以下代表月球更深部甚至月幔的物质挖掘出，溅射到SPA盆地内环形坑表面并被探测到。

图3 用CE-2 DOM数据(a)和嫦娥一号DEM(b)数据制作的SPA盆地区域分布图，白色虚线为SPA盆地边界,上下红色圆点分别表示南极点和艾特肯撞击坑。

论文第一作者李春来表示：“月球是地球之外我们研究的最深刻的星球，月球的演化主要发生在30亿年前，而地球上的地质运动早已将30亿年前的历史抹去，月球就像化石一样，我们可以通过月球一窥地球的早期演化过程。”

2019年1月3日，带着尽快揭开月球深部物质成分神秘面纱的使命，嫦娥四号探测器“定点、定时、精确”着陆在南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑内。同日“玉兔二号”月球车与着陆器分离，其上携带的红外成像光谱仪（VNIS）首次开机，在探测点开展就位光谱探测，获取了第一个月昼两个探测点（图4）的光谱数据。

图4 （a）“玉兔二号”月球车巡视路线图；(b，c) 嫦娥四号地形地貌相机拍摄的VNIS在探测点A和S1处进行光谱探测，插图上下分别为VNIS在A和S1探测点获得的600nm图像。

通过对光谱数据的分析发现，嫦娥四号着陆区的形貌（图5）与月壤光谱特征明显不同于嫦娥三号着陆点的月海玄武岩质月壤（图6），在1um和2um处的吸收特征向短波方向有明显的移动，展现出低钙辉石的光谱特征，并暗示有大量橄榄石的存在。

图5（a）S1探测点附近岩石的全景相机图像（黑白）（b）第二月昼石块探测区域岩石的全景相机图像（彩色）

图6 左图为嫦娥四号VNIS 在第一个月昼获取的探测点光谱曲线，右图为它们的光谱曲线经包络线去除之后的结果。

为进一步判断两个探测点的物质成分是否主要为橄榄石和低钙辉石，研究团队对探测数据进行了光谱解混（图7）。进一步的分析证实，嫦娥四号着陆区月壤物质中橄榄石相对含量最高，低钙辉石次之，仅含有很少量的高钙辉石。这种矿物组合很可能代表了源于月幔的深部物质。

图7 使用低钙辉石、高钙辉石和橄榄石作为端元矿物对A (左图)和S1（右图）探测点的光谱曲线进行修正高斯模型拟合的结果。

嫦娥四号探测器的着陆点位于SPA盆地内的冯·卡门撞击坑内部，其表面被后续喷发的玄武岩填充。这些不同于玄武岩的深部物质又是如何分布在着陆区域内的？为了回答这个问题，研究团队利用我国嫦娥一号（CE-1）数字正射影像（DOM）图像数据和美国月球矿物质绘图仪（Moon Mineralogy Mapper ，M³）高光谱数据对覆盖着陆区域的物质分布进行了分析（图8）。结果表明，着陆器和“玉兔二号”月球车位于玄武岩“平原”的撞击溅射物上，这些溅射物来自东北方向的芬森撞击坑。40多亿年前SPA盆地形成时已将月壳减薄或完全剥离。芬森坑是由小天体撞击SPA盆地内部表面而形成，其犹如在SPA表面打的一口“深钻”一般，进一步将SPA盆地表面以下月球更深部物质挖掘出，产生的溅射物四处抛射，呈辐射线撒布在冯·卡门撞击坑“平原”上。因此，嫦娥四号VNIS分析到的对象是芬森撞击坑挖掘、抛射到冯·卡门撞击坑表面的月幔物质。

图8 冯·卡门坑内芬森坑的溅射物分布图。(a)嫦娥一号数字正射影像图，(b)M³彩色合成图。白色虚线表示芬森坑的两条向其中央峰收敛、呈东北至西南走向的溅射物条带。

基于嫦娥四号红外成像光谱仪探测数据的研究结果揭示了月球背面SPA盆地的深部物质组成，证实了月幔富含橄榄石的推论，扩展了人类对月球形成与演化的认知。论文第一作者李春来说：“为保证安全，嫦娥四号的着陆点尽量选择在平坦区域，而月球上平坦的地方一般都是岩浆凝固后形成的玄武岩。嫦娥四号能落在溅射出的月幔物质碎屑上对于科学家来说是非常幸运的。这一研究可为中国未来的月球采样甚至月球基地建设提供参考。如果嫦娥六号能到这一区域采样，不但能获取人类第一份月球背面的样品，还有机会采集到月球深部物质的样品。”

截至2019年5月11日，“玉兔二号”月球车已完成了第五月昼的科学探测工作，累计行走190.66米。李春来表示，后续的嫦娥四号勘探将获得更多的就位光谱数据，研究团队将继续分析这些数据，特别是岩石光谱，以验证本研究的初步结果，并更好地了解嫦娥四号着陆点的地质环境，破译月球物质甚至深部地幔成分的奥秘。