月球南极-艾特肯盆地形成时的南向撞击挖掘出残余岩浆洋

为揭示月球早期演化关键阶段，研究人员针对南极-艾特肯盆地（SPA）开展多学科研究，通过重力梯度分析、成分反演和岩浆洋演化模拟，首次发现该盆地由南向撞击形成，并挖掘出富含钍（Th）的晚期岩浆洋残留物质。这项发表于《Nature》的研究确立了SPA形成时月球仍存在部分熔融状态，为月球不对称演化机制和Artemis计划采样选址提供了关键约束。

　　

月球作为地球的唯一天然卫星，其早期演化历史一直是行星科学研究的前沿领域。南极-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin, SPA）作为月球上最大、最古老的撞击盆地，形成于前酒神纪（pre-Nectarian）时期，其深度挖掘程度远超其他已知盆地，且位于人类认知相对有限的月球背面，因此成为揭示月球早期演化过程的关键窗口。然而，关于SPA盆地的形成机制、撞击方向及其与月球岩浆洋结晶过程的关系，仍存在诸多争议。传统观点认为SPA由北向撞击形成，但这一假设与盆地形态特征和物质分布存在矛盾；同时，盆地内富钍（Th）和富铁区域的形成机制，以及与近侧风暴洋克里普地体（Procellarum KREEP Terrane, PKT）的成因关联，仍需深入探究。

针对这些科学问题，由亚利桑那大学Jeffrey C. Andrews-Hanna领衔的国际研究团队，综合运用重力场、地形、元素遥感数据与岩浆洋演化模型，对SPA盆地的形成过程及其对月球早期演化的意义进行了系统研究。该研究发表于《Nature》期刊，首次提出SPA盆地由南向撞击形成，并挖掘出晚期岩浆洋残留物质，为理解月球不对称演化和早期撞击历史提供了全新视角。

研究人员采用多学科交叉技术方法：首先通过重力恢复与内部实验室（GRAIL）任务获取的高精度布格重力异常和重力梯度数据，结合月球轨道激光高度计（LOLA）地形数据，重构SPA盆地形态特征；利用月球勘探者号（Lunar Prospector）伽马射线光谱仪（GRS）获取钍（Th）、钛（Ti）和铁（FeO）元素丰度分布；建立岩浆洋结晶动力学模型，模拟不同结晶阶段（Percent Solidification, PCS）残余熔体的空间分布；采用蒙特卡洛算法对盆地轮廓进行锥形椭圆拟合，量化盆地形态不对称性。

盆地形态与撞击轨迹

研究通过对比SPA与赫拉斯（Hellas）、克里姆（Crisium）等已知撞击方向的盆地形态，发现SPA盆地轮廓呈明显南向锥形（tapering factor f=0.18±0.02），与火星赫拉斯盆地东向锥形（f=0.15±0.01）和月球克里姆盆地东向锥形（f=0.15±0.02）特征一致。形态学分析表明，盆地锥形方向与撞击方向相同，SPA的南向锥形支持南向撞击轨迹，排除北向撞击可能性（置信度>2σ）。地壳厚度过渡特征进一步证实这一结论：SPA北缘地壳厚度梯度（0.16 km/km）显著大于南缘（0.016 km/km），符合斜撞击模型中上缘陡、下缘缓的理论预测。

盆地 ejecta 成分不对称性

元素分布分析揭示SPA盆地 ejecta 存在显著成分不对称性：西南部 ejecta 呈现钍富集（1.79±0.03 ppm），远高于远侧高地背景值（0.95±0.02 ppm）和东部 ejecta（1.17±0.03 ppm），而钛含量无显著异常（西部0.22±0.02 wt% vs 东部0.28±0.02 wt%）。该特征无法通过地壳-地幔简单混合解释，需至少三个端元组分：贫Th贫Ti高地地壳、富Th富Ti盆地内部物质、富Th贫Ti的特殊储库。富Th贫Ti特征与晚期岩浆洋熔体成分高度吻合——岩浆洋结晶后期（>90% PCS），熔体高度富集不相容元素（如Th），而钛因伊利石结晶先增后降。

岩浆洋空间分布与演化时序

研究构建了岩浆洋结晶动力学模型，模拟显示由于月球地壳厚度不对称（远侧厚、近侧薄），残余岩浆洋在结晶后期（98.8% PCS）仅存在于地壳较薄区域。SPA盆地形成时（约98.8% PCS），残余岩浆洋仅分布于盆地西南部（厚度约5 km），而东北部无岩浆洋残留，完美解释 ejecta 中钍富集区仅出现在西南部的现象。至99.9% PCS，岩浆洋完全集中于近侧PKT区域，形成最终克里普储库。钍浓度演化模拟表明，SPA阶段岩浆洋熔体Th浓度为2.8-4.3 ppm（假设熔体捕获率5%），与观测值（1.8-12.8 ppm）一致；Imbrium撞击挖掘PKT时Th浓度升至20-40 ppm，与PKT样品约束相符。

对早期月球演化的意义

本研究确立SPA形成时（约4.31-4.39 Ga）月球仍存在部分岩浆洋，表明岩浆洋结晶持续时间较长（最后1%结晶需10-75 Myr），支持撞击速率指数衰减模型。成分分布指示岩浆洋晚期已出现垂直分异：KREEP熔体与钛铁矿物累积层分离，而非单一富集储库。SPA南向撞击轨迹表明Artemis计划选定的南极着陆区恰位于盆地下缘富钍ejecta毯上，采样可约束盆地年龄、撞击历史和岩浆洋固化时序。

研究结论挑战了SPA北向撞击的传统认知，首次通过多维度证据链证实南向撞击挖掘晚期岩浆洋的演化模型。这一成果不仅重塑了对月球最大撞击盆地形成机制的理解，为地月系统早期演化提供关键时序约束，更为未来月球南极采样返回任务提供了科学依据——Artemis宇航员采集的富钍ejecta样本，将成为解码月球岩浆洋固化过程和早期太阳系撞击历史的"罗塞塔石碑"。