月球的原生殼層（primordial crust）是全月巖漿洋固化的產(chǎn)物，但經(jīng)歷不同程度的撞擊改造作用、撞擊后月幔松弛、撞擊重熔與熔融池分異結(jié)晶之后，產(chǎn)生了極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如次生月殼、月幔等（Secondary crust and mantle）。經(jīng)歷撞擊的物理與化學(xué)作用之后，月殼的物性結(jié)構(gòu)，如密度、孔隙度、熱導(dǎo)率、彈性波速等會(huì)呈現(xiàn)極其復(fù)雜的三維特性。月球的樣品測(cè)量或原位地球物理觀測(cè)可以為月殼表層的物性提供錨點(diǎn)約束，但已有的數(shù)據(jù)大部分源自月球近側(cè)風(fēng)暴洋區(qū)域，且都是月表測(cè)量，這對(duì)于實(shí)施月球內(nèi)部多圈層三維結(jié)構(gòu)的地球物理探測(cè)提出了較強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與過程研究組相關(guān)人員對(duì)嫦娥6號(hào)獲取的月球背面南極-艾肯盆地的樣品的密度和孔隙度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)合已有的月球其他區(qū)域的樣品測(cè)量數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和地球物理模擬手段，開展了全月三維密度和孔隙度結(jié)構(gòu)的研究工作。
首先，研究人員利用X-ray microCT的方法測(cè)量了嫦娥6號(hào)樣品的體積，得到其體密度為1.62±0.02 g/cm3，對(duì)應(yīng)孔隙度為47%，這一結(jié)果與同樣來自南極-艾肯盆地的嫦娥4號(hào)探地雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致。匯總嫦娥6號(hào)樣品、嫦娥4號(hào)雷達(dá)的測(cè)量結(jié)果與已發(fā)表的月球近側(cè)不同區(qū)域的樣品或隕石測(cè)量結(jié)果，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)南極-艾肯盆地的樣品孔隙度顯著低于月球正面風(fēng)暴洋區(qū)域的樣品孔隙度（圖1）。盡管不同研究方法和采樣深度限制了直接對(duì)比，但這些結(jié)果共同表明了月殼孔隙度存在橫向變化。此外，孔隙度是控制物質(zhì)摩擦角與內(nèi)聚力的關(guān)鍵物性參數(shù)，因此嫦娥6號(hào)樣品的低孔隙度可解釋樣品粘稠與結(jié)塊現(xiàn)象，這與玉兔2號(hào)的車轍印分析結(jié)果一致。
圖1?嫦娥6號(hào)及其他月球探測(cè)任務(wù)（圖a為任務(wù)著陸點(diǎn)）測(cè)量得到的月球表面體密度（b）、物質(zhì)密度（c）和孔隙度（d）
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于月球Fe、Ti元素的全球分布，利用樣品測(cè)量結(jié)果作為錨點(diǎn)，反演得到了全月物質(zhì)密度與孔隙度的橫向分布，結(jié)果顯示月球背面南極-艾肯盆地整體較正面風(fēng)暴洋區(qū)域的風(fēng)化層更致密，孔隙度更低（圖2）。此外，還進(jìn)行了月殼的物理壓實(shí)模擬，結(jié)果顯示月殼垂向存在不連續(xù)的分層結(jié)構(gòu)，在9 km和25 km深度處的物質(zhì)密度和孔隙度的變化率較大（圖3）。
圖2?月球表面物質(zhì)密度（a）和孔隙度（b）反演結(jié)果
圖3?嫦娥5號(hào)和嫦娥6號(hào)采樣點(diǎn)下方的體密度（a）和孔隙度（b）的垂向變化，以及不同的孔隙度結(jié)構(gòu)可能對(duì)月球散熱的影響（c）
作為月球最外層的結(jié)構(gòu)，月殼對(duì)月球內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)作用類似于熱毯效應(yīng)，其物性的橫向和垂向差異可顯著影響月球不同區(qū)域的冷卻效率。通過測(cè)量不同采樣點(diǎn)區(qū)域的孔隙度與熱導(dǎo)率，可建立兩者的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，然后將嫦娥6號(hào)的孔隙度測(cè)量結(jié)果應(yīng)用于這一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)南極-艾肯盆地的熱導(dǎo)率較月球近側(cè)風(fēng)暴洋區(qū)域的熱導(dǎo)率高一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖4）。該結(jié)果與嫦娥4號(hào)軌道器觀測(cè)的結(jié)果相近，這說明相較于南極-艾肯盆地，月球的近側(cè)可以保持更長時(shí)間的內(nèi)部熱量，從而導(dǎo)致更慢的冷卻速度和更長期的火山活動(dòng)（圖5）。此外，南極-艾肯盆地低孔隙度引起的熱損失增強(qiáng)可能加速了該地區(qū)巖石圈的增厚，與近側(cè)風(fēng)暴洋區(qū)域相比，進(jìn)一步促進(jìn)了該地區(qū)火山活動(dòng)的減弱。這些月球不同區(qū)域的差異冷卻模型為未來的熱流測(cè)量提供了預(yù)測(cè)，并可能解釋月球不同區(qū)域的火山爆發(fā)的不同持續(xù)時(shí)間。
圖4?月殼孔隙度與熱導(dǎo)率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系
圖5?南極-艾肯盆地撞擊引發(fā)的差異熱毯效應(yīng)造成的短時(shí)一階對(duì)流與差異性半球冷卻
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Icarus（Xu C Y, Jiang Y, Yan H M, et al. Low porosity crust at Chang'e-6 sampling site[J].?Icarus, 2026, 451, 117012. DOI:?10.1016/j.icarus.2026.117012.）。研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42274114、42388101、4274100）、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFF0503202）資助。