科普中国-我是科学家 2019-05-20
作者：haibaraemily
编辑：Yuki
2019年1月3日，来自中国的着陆器和巡视器——嫦娥四号月球探测器和月球车玉兔二号，首次代表人类拜访月球背面。
（左）月球背面的南极-艾特肯盆地和冯·卡门撞击坑。底图数据来自LROC WAC；（右）嫦娥四号着陆点（东经177.5991°，南纬45.4446°，地势相比于月球平均半径1737.4公里低了5935米）。底图数据来自CE-2 COM。
玉兔二号从此开始了月球背面的巡游之旅——它利用自身携带的多种科学仪器，一步一步一个脚印地对月球背面进行着深入探测。
玉兔二号月球车（左）和嫦娥四号着陆器（右）| 航天科技集团
2019年5月16日，中国科学院国家天文台李春来团队，在顶级期刊《自然》（Nature）在线发布了玉兔二号第1个月昼的光谱探测数据获得的初步成果，为揭示上月幔物质组成的科学难题带来了新的线索[1]。
月幔里有什么？
我们从小就知道，地球不是一颗从内到外均质的“土豆”，而是有着多层内部结构的“鸡蛋”。事实上，不仅是地球，月球、火星、水星、金星这样的大型固态天体全都是这样。
那月球的壳、幔、核分别是由什么物质组成的呢？既然大家都经历了相似的热分异过程，原本又都是岩质天体，因此人们推测，月核里应该有大量铁镍金属，月壳和月幔大概主要是硅酸盐。
不过壳和幔层的成分有啥区别？硅酸盐都是什么盐？具体到每颗岩质天体，差别还挺大。举个例子，地壳（陆壳）的平均成分更接近于安山岩（最上层主要是花岗岩）；而原始月壳则大部分由亮色的斜长岩组成——这也是我们如今在月球上看到的亮色高地的颜色。
月球上的亮色区域主要是斜长石（斜长岩90%以上的成分是斜长石）的颜色。底图来源：LROC
所以，这个问题也真挺难解答的。
月壳还好说些，毕竟暴露在外面。望远镜和探测器可以给月球表面拍照；各种遥感仪器可以探测到月球表面的矿物成分；阿波罗可以带回月球岩石和土壤样本……这些都能帮助天文学家们推测月壳的组成。
但是，深层的月幔就很难判断了。什么？你说挖出来看看？别闹了，迄今为止咱们连挖穿地壳一探地幔究竟都做不到呢，何况是遥远的月球……
重力场和月震研究可以帮一些忙。这些观测和分析可以粗略地“透视”地下，告诉我们月球内部分了多少层，每层有多厚，每层的平均密度是多少，比如总体平均下来月幔的密度肯定要比月壳高（废话！）。
对月球岩浆海洋假说的理论研究[2]，以及对地球地幔物质的认识也能给我们提供不少参考。
比如，橄榄石就是一种被重点观测的矿物质。天文地质学家们认为[3]：月幔和地幔相似，岩浆海洋冷却分异的过程中最先结晶出来的物质之一就是橄榄石，因此月幔里很可能存在不少橄榄石。
橄榄岩（左）中含有大量的橄榄石（右）。橄榄石晶体是一种硅酸镁铁矿物。来源：维基
如何验证这一假设呢？
答案是：等待大自然的鬼斧神工把一些来自上月幔的物质带上月表。
橄榄石去哪儿了？
月海玄武岩可以提供一些参考。
月海玄武岩被认为来自月幔，因为相比于亮色的高地物质（斜长石）有着较高的橄榄石和辉石成分，呈现出镁铁质的暗黑色——这就是如今的我们在月球上看到的这些被称为“月海”区域暗黑色的由来。
月球上的暗色区域主要是玄武岩的颜色。底图来源：LROC
但是呢，这些玄武岩中的橄榄石并不是月幔演化历史早期结晶形成的“原生”橄榄石，因为这些玄武岩是后来来自月幔的岩浆随着火山活动上涌到月表之后，再冷却结晶固化形成的，而且月幔物质在上涌的过程中本身也会不断发生演化。所以最终形成的月海玄武岩只能帮助我们推测月幔成分，并不能等同于月幔成分。
不过，我们还是基本上能确定月幔里有比月壳更加富镁铁质的物质。
月海玄武岩来自月幔的岩浆上涌。不过图里的月球分层结构只是目前的猜想中的一种。改编自：[4]
大型撞击盆地也能提供很多线索。小行星和彗星的撞击可以挖掘出大量原本掩埋在地表以下的物质——撞击规模越大，挖掘得就越深。也就是说，月球上的一些大型撞击形成的盆地，就很可能能撞穿月壳，直接把月幔上层的原生月幔物质挖出来。
重力场观测数据间接证实了这种可能性。2011年发射的NASA GRAIL探测器，获得了高精度的月球全球重力场数据。通过这些数据，我们可以估算月壳的厚度分布。结果显示，月球上的一些大型撞击盆地中的月壳非常薄，有些地方（莫斯科海、危海中）甚至近乎于0。这么薄的月壳意味着当年的小行星撞击很可能撞穿了这些地方的月壳，把上月幔物质挖掘和抛射到了月球表面[5]。
GRAIL重力数据估算的月壳厚度（参数选择：月壳孔隙率12%，月幔平均密度3220 kg/m^3）。来源：[5]
遥感数据也确实在月球上的大型撞击盆地附近发现了一些富橄榄石区域，这些橄榄石就很可能来自月幔[6]。这一发现也似乎可以和重力数据互为佐证。
日本的月亮女神号探测器在红色正方形标记的地方明确发现了富橄榄石的光谱信号。来源：[6]
但这些暴露出来的富橄榄石物质，相比于月球早期密集的撞击和大型撞击盆地的规模来说，好像还是少了点。如果上月幔真的富橄榄石的话，似乎应该遍布在月球表面的样子。
于是有些天文地质学家也提出了另一种猜测：会不会…其实月球的上月幔里本来就是低钙辉石（LCP）为主，压根没有什么橄榄石呢？[7]这样尽管上月幔的物质被大型撞击盆地挖掘出来，飞溅到了月球表面各个地方，但因为这些溅射物里本来就没什么橄榄石，所以才只找到这么点。
总之，上月幔里如果没有富含橄榄石，又含有什么成分呢？如果富含橄榄石，这些橄榄石又去了哪里呢？
嫦娥四号探测器给出了新的线索。
嫦娥四号着陆区可能发现了橄榄石
嫦娥四号的着陆区——直径2500千米的南极-艾特肯盆地，是月球上最大、最古老的撞击盆地，这意味着它也是月球上最可能挖掘出月幔物质的撞击盆地之一。
但之前的研究都没有在南极-艾特肯盆地内部找到橄榄石的迹象。
早在1994年的克莱门汀探测器，就已经发现南极-艾特肯盆地一带略微有点富铁（相比于月球高地）。
克莱门汀的紫外/可见光相机和近红外CCD相机获取的月球表面铁元素丰度分布。来源：NASA/LPI
但富铁还不意味着富橄榄石，毕竟天文地质学家们已经知道，南极-艾特肯盆地一带的非玄武岩区域里含有大量斜方辉石（Opx，也叫低钙辉石LCP）——辉石也是富铁的。…
