月球發(fā)電機(jī)的演化過程對于揭示月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱歷史以及表面環(huán)境具有重要意義。衛(wèi)星觀測和月表實(shí)測結(jié)果都顯示現(xiàn)今月球沒有全球偶極磁場，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，或撞擊磁場。對阿波羅返回樣品的古地磁研究指示月球在42–35億年存在一個相對活躍的發(fā)電機(jī)，強(qiáng)度可達(dá)幾十微特；在約31億年下降了一個數(shù)量級，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10億年后的某個時刻月球發(fā)電機(jī)完全停止。目前發(fā)表的月球古磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要集中在30億年前，而月球磁場中晚期演化過程則缺乏約束。此外，已有強(qiáng)度分析測量數(shù)據(jù)均來自月球正面返回樣品，對月球背面的認(rèn)識處于空白。月球古磁場時空分布信息的缺乏，導(dǎo)致了關(guān)于月球磁場的持續(xù)時間、幾何形態(tài)和驅(qū)動機(jī)制等問題存在較大爭議，例如，關(guān)于月球發(fā)電機(jī)持續(xù)時間的問題有學(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任務(wù)著陸點(diǎn)分布。

嫦娥六號任務(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1935.3克。中國科學(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)隊聯(lián)合中國科學(xué)院國家天文臺對獲批的毫米級玄武巖巖屑樣品開展磁學(xué)研究工作。已報道的嫦娥六號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)隊和中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛研究員團(tuán)隊結(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，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)隊對這些巖屑樣品開展了詳細(xì)的古磁場強(qiáng)度、巖石磁學(xué)和顯微學(xué)分析，研究結(jié)果為認(rèn)識月球發(fā)電機(jī)時空演化和能量來源提供了關(guān)鍵約束。

圖2嫦娥六號玄武巖巖屑圖像。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)驗方法來估算嫦娥六號玄武巖巖屑記錄的月球古磁場強(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)驗通過古地磁與年代學(xué)實(shí)驗室的RAPID高靈敏度超導(dǎo)磁力儀完成，測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，其余三個樣品的HC組分均可認(rèn)為是代表巖漿噴發(fā)時記錄的原生特征剩磁，因此可以用這些樣品的HC組分計算古強(qiáng)度。ARM校正方法計算的結(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)驗值1.34和3000。樣品392的HC組分通過ARM和IRM方法計算出的古強(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。四個樣品的古強(qiáng)度可靠性檢驗表明，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。

圖3嫦娥六號玄武巖樣品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中的紅色符號和c，d中帶紅色邊框的符號代表用于計算古強(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均具有微米級的鐵顆粒，而樣品038中的鐵顆粒尺寸可能為百納米級。巖石磁學(xué)和顯微鏡觀測結(jié)果顯示嫦娥六號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，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)測和磁異常正演模型計算結(jié)果推測嫦娥六號著陸區(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古強(qiáng)度值的貢獻(xiàn)非常有限；2）VRM測試結(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)驗推斷，在地球磁場中兩個月，其VRM獲得量可能不超過5%。交變退磁結(jié)果顯示VRM的退磁場強(qiáng)一般< 10 mT，表明在地球上獲得的VRM可被低場交變退磁清洗。因此VRM不太可能污染樣品的HC組分。此外，IRM測試結(jié)果表明，所有樣品的NRM均低于9 mT的IRM，且低場IRM可以被與加載IRM的脈沖場相等的交變退磁場退掉，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。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。這些測試結(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。

嫦娥六號玄武巖形成于約 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)度可能存在一個隨時間指數(shù)下降的整體趨勢，對古強(qiáng)度數(shù)據(jù)取對數(shù)后，其與時間呈現(xiàn)出弱線性相關(guān)關(guān)系（r2 = 0.3)。進(jìn)一步對原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)取對數(shù)后再進(jìn)行線性去趨勢處理以探討該整體下降趨勢下的二階變化，結(jié)果表明在39–35億年的高場時期之后，月球磁場在35–28億年間發(fā)生顯著波動，指示月球發(fā)電機(jī)此時可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)將為未來月球探測任務(wù)尋找可能的磁場倒轉(zhuǎn)提供重要參考。

嫦娥六號返回的玄武巖古強(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，推測在此期間可能存在一個全球性的月球發(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)動驅(qū)動的。然而嫦娥六號的玄武巖強(qiáng)度數(shù)據(jù)顯示28億年前月球磁場出現(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)動機(jī)制再次增強(qiáng)。對比不同發(fā)電機(jī)模型的模擬結(jié)果，嫦娥六號記錄的古強(qiáng)度與基底巖漿洋模型產(chǎn)生的場強(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)動發(fā)電機(jī)也是可能的驅(qū)動機(jī)制，或者是二者共同驅(qū)動了月球發(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)一步評估。

圖4月球磁場強(qiáng)度演化圖。紅色和藍(lán)色五角星代表嫦娥六號樣品ARM和IRM校正方法古強(qiáng)度。橙色誤差棒表示對嫦娥六號古強(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�？招姆柎韽�(qiáng)度值上線。

研究成果發(fā)表于國際學(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

本研究受國家自然科學(xué)基金委 （42241101, 42388101, 42488201）、中國科學(xué)院先導(dǎo)B（XDB 1180000, XDB 0710000）和研究所重點(diǎn)部署 （IGGCAS-202401） 項目共同資助。

美編 | 陳永焱

校對 | 劉強(qiáng)