月球表面遍布著大小不一、密布的隕石撞擊坑，它們見證了太陽系漫長的撞擊歷史。這些撞擊坑顯著地改變了月表的形貌與化學(xué)組成。但是，關(guān)于撞擊坑是否能夠影響深部月幔以及如何影響，長期以來存在爭議。南極-艾特肯盆地（SPA）是月球上最古老、規(guī)模最大的撞擊坑，直徑約2500公里。如此巨大的撞擊可能對月球深部造成影響。數(shù)值模擬顯示，該撞擊事件至少挖掘出上百公里深的物質(zhì)，其釋放的巨大熱能還可能觸發(fā)了月幔對流，很可能使富含鉀、稀土元素和磷（KREEP）的物質(zhì)從月球背面輸送至正面，從而促進(jìn)了風(fēng)暴洋克里普地體的形成，并引發(fā)廣泛的月海玄武巖噴發(fā)。因此，研究該盆地形成時(shí)的撞擊效應(yīng)顯得至關(guān)重要。
2024年6月，我國嫦娥六號任務(wù)首次從SPA采樣并成功返回，為研究該盆地的形成時(shí)間、機(jī)制與撞擊效應(yīng)提供了關(guān)鍵樣本。國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)了一類新型蘇長巖，證實(shí)其為撞擊熔巖，很可能源自撞擊引發(fā)的殼幔物質(zhì)重熔——該過程形成一個(gè)數(shù)十公里的巖漿池，并從中結(jié)晶而成。然而，此次撞擊究竟如何影響了背面月幔的組成與性質(zhì)，仍是一個(gè)未解之謎。揮發(fā)份與中等揮發(fā)性元素及其同位素，可為追溯撞擊對深部月幔的潛在影響提供了關(guān)鍵線索。在撞擊產(chǎn)生的高溫高壓條件下，這些元素極易發(fā)生揮發(fā)與分餾，其同位素組成能夠靈敏記錄下撞擊過程的溫度、能量及物質(zhì)來源信息，從而成為揭示撞擊深部效應(yīng)的理想示蹤劑。
為深入研究上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所田恒次研究員、楊蔚研究員、李獻(xiàn)華院士、吳福元院士等人提出了新的研究方案，他們對從嫦娥六號月壤中挑選出的毫米級玄武巖顆粒，進(jìn)行了酒精清洗處理、高精度原位CT、超低消耗量全巖主微量成分分析，以及高精度鉀（K）和鐵（Fe）同位素測試，并獲得以下新認(rèn)識：
（1）鑒于嫦娥六號月壤成分復(fù)雜且含有多種類型玄武巖，為確認(rèn)所選顆粒屬于玄武巖，研究團(tuán)隊(duì)利用微米CT對顆粒進(jìn)行觀察，并依據(jù)巖相學(xué)結(jié)果最終選取四顆玄武巖進(jìn)行成分分析（圖1）。
圖1 月球高程圖及用微米CT獲取的玄武巖內(nèi)部界截面圖
研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用超低消耗量分析技術(shù)獲取了這四件樣品的主量和微量元素?cái)?shù)據(jù)。結(jié)果與已報(bào)道的嫦娥六號低鈦玄武巖成分相似，既驗(yàn)證了本研究所用分析技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性，也進(jìn)一步確認(rèn)所研究樣品屬于28億年低鈦玄武巖。之后，團(tuán)隊(duì)采用基于碰撞反應(yīng)池多接收等離子體質(zhì)譜儀（CC-MC-ICPMS）建立的高精度Fe、K同位素分析技術(shù)，測得玄武巖的δ56Fe為0.13 ± 0.03‰ ~ 0.21 ± 0.02‰（2SD），δ41K為0.001 ± 0.028‰ ~ 0.093 ± 0.014‰（圖2）。對比顯示，其Fe同位素組成較所有已知低鈦玄武巖（包括阿波羅、嫦娥五號樣品及隕石）偏重約0.08‰，而K同位素組成也比所有已報(bào)道的阿波羅玄武巖重約0.16‰（圖2）。
圖2 嫦娥六號玄武巖和月球其它樣品的Fe和K同位素分布
（2）針對嫦娥六號玄武巖中偏重的Fe和K同位素組成，研究團(tuán)隊(duì)首先評估了宇宙射線照射對兩者同位素的影響，計(jì)算表明其貢獻(xiàn)微乎其微。隨后，團(tuán)隊(duì)對巖漿洋分異、部分熔融及分離結(jié)晶等過程進(jìn)行了詳細(xì)的Fe和K同位素模擬，結(jié)果顯示巖漿過程能夠解釋Fe同位素特征，但遠(yuǎn)不足以解釋偏重的K同位素組成（圖3）。因此，需有額外的機(jī)制來解釋K同位素偏重現(xiàn)象，或認(rèn)為其反映了月球背面K同位素固有的不均一性。
圖3 巖漿洋分異過程和巖漿過程中的Fe和K同位素變化模擬計(jì)算
（3）SPA形成時(shí)的大撞擊造成了揮發(fā)分的丟失。前人通過對阿波羅樣品和對來源不同的大量玄武巖和鎂質(zhì)巖套隕石進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它們具有相似的K同位素組成，據(jù)此提出形成月球的大撞擊導(dǎo)致了全月尺度的揮發(fā)分丟失，并形成了一致的同位素特征。因此，我們認(rèn)為嫦娥六號玄武巖重K同位素特征并非源于月幔不均一性，而很可能與SPA撞擊事件有關(guān)。利用Fe-K同位素體系，研究團(tuán)隊(duì)排除了小行星直接加入導(dǎo)致同位素偏重的可能性。最后提出，SPA撞擊很可能引起月幔物質(zhì)揮發(fā)，模擬計(jì)算顯示約1%的K丟失即可解釋玄武巖的重K同位素組成（圖4）。
圖4 撞擊過程中的K的揮發(fā)及同位素分餾模擬
綜上所述，該研究通過對嫦娥六號采集的月球背面玄武巖樣本開展高精度同位素分析，首次揭示了早期巨型撞擊事件對月球深部月幔的改造作用。結(jié)果表明，月球背面SPA深部月幔很可能因此丟失了一定量的揮發(fā)分，這可能導(dǎo)致月幔變得更難熔，從而抑制火山活動(dòng)的規(guī)模與頻率，為理解月球正背面不對稱的演化歷史提供了關(guān)鍵線索。同時(shí)，該成果也為認(rèn)識撞擊過程在地球及其他類地行星形成與演化中的作用提供了新思路。
研究成果2026年1月13日在線發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊PNAS，并被選為當(dāng)期亮點(diǎn)論文進(jìn)行報(bào)道（田恒次*，張馳，李文君，薛丁帥，王靜，楊蔚，劉艷紅，林楊挺，李獻(xiàn)華，吳福元. Isotopic evidence for volatile loss driven by South Pole-Aitken basin-forming impact [J].?Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI:?10.1073/pnas.2515408123. 研究得到國家自然科學(xué)基金、中科院地質(zhì)地球所重點(diǎn)部署和中國科學(xué)院青促會項(xiàng)目共同資助。