【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】月球發(fā)電機(jī)的演化過程對(duì)于揭示月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱歷史以及表面環(huán)境具有重要意義。衛(wèi)星觀測(cè)和月表實(shí)測(cè)結(jié)果都顯示現(xiàn)今月球沒有全球偶極磁場(chǎng)，然而月殼存在大規(guī)模的磁化(圖1)，表明月球可能曾有過發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)，或撞擊磁場(chǎng)。對(duì)阿波羅返回樣品的古地磁研究指示月球在42–35億年存在一個(gè)相對(duì)活躍的發(fā)電機(jī)，強(qiáng)度可達(dá)幾十微特；在約31億年下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，維持在幾微特的強(qiáng)度；在15–10億年強(qiáng)度再次下降，并最終在距今10億年后的某個(gè)時(shí)刻月球發(fā)電機(jī)完全停止。目前發(fā)表的月球古磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要集中在30億年前，而月球磁場(chǎng)中晚期演化過程則缺乏約束。此外，已有強(qiáng)度分析測(cè)量數(shù)據(jù)均來自月球正面返回樣品，對(duì)月球背面的認(rèn)識(shí)處于空白。月球古磁場(chǎng)時(shí)空分布信息的缺乏，導(dǎo)致了關(guān)于月球磁場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間、幾何形態(tài)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制等問題存在較大爭(zhēng)議，例如，關(guān)于月球發(fā)電機(jī)持續(xù)時(shí)間的問題有學(xué)者提出了完全不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為月核發(fā)電機(jī)難以長(zhǎng)期存在，或許只能維持月球形成最初的1–2 億年。
 

圖1 月球表面磁異常及月球探測(cè)任務(wù)著陸點(diǎn)分布
 

　　嫦娥六號(hào)任務(wù)首次實(shí)現(xiàn)月背采樣，從南極-艾特肯盆地內(nèi)的阿波羅撞擊坑(41.64°S, 153.99°W)采回了人類首批月背樣品，共計(jì)1935.3克。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所朱日祥研究員、蔡書慧副研究員及研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)對(duì)獲批的毫米級(jí)玄武巖巖屑樣品開展磁學(xué)研究工作。已報(bào)道的嫦娥六號(hào)樣品玄武巖主期次噴發(fā)年齡為28億年(本所李獻(xiàn)華研究員團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛研究員團(tuán)隊(duì)結(jié)果)，用于本研究的4顆玄武巖巖屑(CE6C0000YJYX211、038、344和392)(圖2)鉛-鉛同位素年齡為2,807 ± 3 Ma(見《嫦娥六號(hào)月球樣品揭示月背28億年前的巖漿活動(dòng)》)，揭示出這些樣品來自月球背面并處于關(guān)鍵的年齡空窗期。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這些巖屑樣品開展了詳細(xì)的古磁場(chǎng)強(qiáng)度、巖石磁學(xué)和顯微學(xué)分析，研究結(jié)果為認(rèn)識(shí)月球發(fā)電機(jī)時(shí)空演化和能量來源提供了關(guān)鍵約束。
 

　　圖2 嫦娥六號(hào)玄武巖巖屑圖像。a-d.體式顯微鏡照片；e-h.玄武巖巖屑的CT切面圖像

 

　　本研究采用非加熱古強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法來估算嫦娥六號(hào)玄武巖巖屑記錄的月球古磁場(chǎng)強(qiáng)度，包括地外樣品常用的非磁滯剩磁(ARM)和等溫剩磁(IRM)校正法，實(shí)驗(yàn)通過古地磁與年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室的RAPID高靈敏度超導(dǎo)磁力儀完成，測(cè)試過程中儀器本底值保持在2×10-12 Am²以下。樣品的NRM交變退磁結(jié)果至少包含三個(gè)組分：低矯頑力組分(LC)< 4–10 mT，可能代表樣品返回后在地球磁場(chǎng)中獲得的VRM；中等矯頑力組分(MC)在不同樣品之間表現(xiàn)出一定差異，一般持續(xù)到24–50 mT；高矯頑力組分(HC)通常從≥ 26 mT持續(xù)到100–150 mT。樣品211和038的HC組分表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，持續(xù)衰減至原點(diǎn)，最大角偏差(MAD)大于偏差角(DANG)。樣品344的HC組分則較離散，但其MAD也大于DANG，可以視為趨向原點(diǎn)。而樣品392的HC組分方向更為分散， MAD小于DANG，未能趨向原點(diǎn)。
 

　　除392外，其余三個(gè)樣品的HC組分均可認(rèn)為是代表巖漿噴發(fā)時(shí)記錄的原生特征剩磁，因此可以用這些樣品的HC組分計(jì)算古強(qiáng)度。ARM校正方法計(jì)算的結(jié)果約為8–13 μT，而IRM校正方法的結(jié)果約為5–21 μT，兩種方法的校正系數(shù)分別采用經(jīng)驗(yàn)值1.34和3000。樣品392的HC組分通過ARM和IRM方法計(jì)算出的古強(qiáng)度分別為~10 μT和9 μT，與樣品211(圖3)和038的結(jié)果一致，但由于該樣品的HC組分不趨向原點(diǎn)，我們采用AREMc和REMc方法估算其古強(qiáng)度值，結(jié)果分別為< 20 μT和< 16 μT。四個(gè)樣品的古強(qiáng)度可靠性檢驗(yàn)表明，樣品211、038和392均為理想的剩磁載體，樣品344記錄能力稍差，但也能通過可靠性檢驗(yàn)。
 

　　圖3 嫦娥六號(hào)玄武巖樣品211的古強(qiáng)度結(jié)果。a.逐步交變退磁的正交投影圖。圓形和方形分別表示在水平和垂直平面上投影的剩磁數(shù)據(jù)，不同矯頑力組分用不同顏色表示。b.交變退磁過程中方向的等面積投影圖。c.ARM和IRM校正方法古強(qiáng)度結(jié)果。NRM、ARM和IRM lost代表三種剩磁在交變退磁過程中的衰減量，BARM和BIRM代表ARM和IRM方法計(jì)算的古強(qiáng)度。d.NRM、ARM和IRM隨交變退磁的衰減。a、b中的紅色符號(hào)和c、d中帶紅色邊框的符號(hào)代表用于計(jì)算古強(qiáng)度的數(shù)據(jù)點(diǎn)

 

　　巖石磁學(xué)結(jié)果表明，嫦娥六號(hào)玄武巖樣品磁化率較低，含有大量的順磁性礦物，載磁礦物顆粒為不同粒徑的混合，矯頑力分布范圍較大。顯微鏡觀察結(jié)果顯示，樣品211、344和392均具有微米級(jí)的鐵顆粒，而樣品038中的鐵顆粒尺寸可能為百納米級(jí)。巖石磁學(xué)和顯微鏡觀測(cè)結(jié)果顯示嫦娥六號(hào)玄武巖巖屑中的載磁礦物主要為鐵顆粒，能夠有效記錄月球古磁場(chǎng)強(qiáng)度。
 

　　月球樣品的剩磁可能來自多種磁源，包括月球發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)，月殼磁異常、VRM和IRM污染以及撞擊相關(guān)的磁化等，分析樣品中不同組分剩磁的來源是解釋古強(qiáng)度數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。本文分析了多種可能的剩磁來源：1)根據(jù)月球磁異常模型預(yù)測(cè)和磁異常正演模型計(jì)算結(jié)果推測(cè)嫦娥六號(hào)著陸區(qū)的磁異常強(qiáng)度可能不超過幾十納特，而嫦娥六號(hào)玄武巖恢復(fù)的古強(qiáng)度為5–21 μT，表明局部月殼磁異常對(duì)古強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)非常有限；2)VRM測(cè)試結(jié)果顯示這些玄武巖樣品獲得VRM的能力較弱，根據(jù)樣品392的VRM獲得和衰減實(shí)驗(yàn)推斷，在地球磁場(chǎng)中兩個(gè)月，其VRM獲得量可能不超過5%。交變退磁結(jié)果顯示VRM的退磁場(chǎng)強(qiáng)一般< 10 mT，表明在地球上獲得的VRM可被低場(chǎng)交變退磁清洗。因此VRM不太可能污染樣品的HC組分。此外，IRM測(cè)試結(jié)果表明，所有樣品的NRM均低于9 mT的IRM，且低場(chǎng)IRM可以被與加載IRM的脈沖場(chǎng)相等的交變退磁場(chǎng)退掉，結(jié)果排除了樣品的HC組分受IRM污染的可能性；3)地外樣品通常經(jīng)歷了復(fù)雜的撞擊歷史，這可能導(dǎo)致樣品發(fā)生退磁或獲得撞擊相關(guān)的剩磁。樣品CT、SEM、拉曼光譜和光學(xué)顯微鏡分析結(jié)果顯示玄武巖巖屑保持了噴發(fā)結(jié)晶時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)(次輝綠或斑狀結(jié)構(gòu))(圖2)，且在礦物中未觀察到明顯的平面斷裂、波狀消光等現(xiàn)象，其拉曼光譜也未見到譜峰變寬或移動(dòng)。這些結(jié)果表明，樣品在噴發(fā)后經(jīng)歷了很有限的撞擊改造，撞擊峰值壓力< 5 GPa。此外，玄武巖巖屑原始巖漿冷卻速率計(jì)算結(jié)果表明它們從熔巖流冷卻結(jié)晶的過程足夠慢，也不太可能記錄撞擊產(chǎn)生的等離子體瞬態(tài)場(chǎng)。這些測(cè)試結(jié)果表明樣品HC組分記錄的古強(qiáng)度值最可能來自于月球發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)。
 

　　嫦娥六號(hào)玄武巖形成于約 28 億年前，其記錄的古強(qiáng)度范圍為~5–21 μT，中值為~13 μT，結(jié)果為30–20億年之間月球磁場(chǎng)演化的數(shù)據(jù)空窗期提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)。即使考慮上非加熱古強(qiáng)度方法校正系數(shù)引入的誤差，這些數(shù)據(jù)仍表明月球磁場(chǎng)在約31億年前第一次顯著下降后很可能發(fā)生反彈(圖4)。此外，嫦娥六結(jié)合已有古強(qiáng)度數(shù)據(jù)指示月球發(fā)電機(jī)的強(qiáng)度可能存在一個(gè)隨時(shí)間指數(shù)下降的整體趨勢(shì)，對(duì)古強(qiáng)度數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后，其與時(shí)間呈現(xiàn)出弱線性相關(guān)關(guān)系(r² = 0.3)。進(jìn)一步對(duì)原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后再進(jìn)行線性去趨勢(shì)處理以探討該整體下降趨勢(shì)下的二階變化，結(jié)果表明在39–35億年的高場(chǎng)時(shí)期之后，月球磁場(chǎng)在35–28億年間發(fā)生顯著波動(dòng)，指示月球發(fā)電機(jī)此時(shí)可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)將為未來月球探測(cè)任務(wù)尋找可能的磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)提供重要參考。
 

　　嫦娥六號(hào)返回的玄武巖古強(qiáng)度數(shù)據(jù)首次揭示月球背面古磁場(chǎng)信息，盡管目前28億年月球正面沒有數(shù)據(jù)，但結(jié)合已有30–15億年的強(qiáng)度結(jié)果，推測(cè)在此期間可能存在一個(gè)全球性的月球發(fā)電機(jī)。已有研究認(rèn)為月球發(fā)電機(jī)強(qiáng)度在~31億年前急劇下降之后一直處于低能量狀態(tài)，直至10億年后最終消亡，并據(jù)此推測(cè)31億年后的弱發(fā)電機(jī)可能是由月球核結(jié)晶或進(jìn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。然而嫦娥六號(hào)的玄武巖強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示28億年前月球磁場(chǎng)出現(xiàn)了反彈，表明月球發(fā)電機(jī)在早期急劇下降后可能重新激活，指示發(fā)電機(jī)主要能量來源發(fā)生變化或初始驅(qū)動(dòng)機(jī)制再次增強(qiáng)。對(duì)比不同發(fā)電機(jī)模型的模擬結(jié)果，嫦娥六號(hào)記錄的古強(qiáng)度與基底巖漿洋模型產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)最為一致(圖4)。考慮到約束模型的參數(shù)存在較大不確定性，進(jìn)動(dòng)發(fā)電機(jī)也是可能的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，或者是二者共同驅(qū)動(dòng)了月球發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。此外，其他機(jī)制(如核結(jié)晶)也可能為月球發(fā)電機(jī)提供補(bǔ)充能量。但值得注意的是，由于基底巖漿洋和進(jìn)動(dòng)發(fā)電機(jī)模型仍存在較大的不確定性，月球發(fā)電機(jī)確切的能量來源還需進(jìn)一步評(píng)估。
 

　　圖4 月球磁場(chǎng)強(qiáng)度演化圖。紅色和藍(lán)色五角星代表嫦娥六號(hào)樣品ARM和IRM校正方法古強(qiáng)度。橙色誤差棒表示對(duì)嫦娥六號(hào)古強(qiáng)度數(shù)據(jù)基于t分布的105次重抽樣處理后的平均古強(qiáng)度95%置信區(qū)間(7–40 μT，中值為15 μT)，計(jì)算過程考慮了線性回歸和非加熱古強(qiáng)度方法校正系數(shù)誤差。空心符號(hào)代表強(qiáng)度值上線

 

　　研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature(蔡書慧*，祁鍇賢，楊賽紅，房潔，石平原，沈中山，章敏，秦華峰，張馳，李曉光，陳芳芳，陳意，李金華，賀懷宇，鄧成龍，李春來，潘永信，朱日祥. A reinforced lunar dynamo recorded by Chang'e-6 farside basalt [J]. Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08526-2.)。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金委 (42241101, 42388101, 42488201)、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)B(XDB 1180000, XDB 0710000)和研究所重點(diǎn)部署 (IGGCAS-202401) 項(xiàng)目共同資助。