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图①：中国科学院地质与地球物理研究所的离子探针仪器。
本报记者 沈东方 摄
图②：“嫦娥六号”返回月壤样品中记录的两期玄武质火山活动及其月幔源区性质示意图。
中国科学院地质与地球物理研究所供图
图③：2025年大阪·关西世博会（大阪世博会）4月13日开园，参观者在中国馆内参观“嫦娥五号”“嫦娥六号”探测器采集的月球土壤样品。新华社记者 贾浩成 摄
图④：科研人员正在操作离子探针仪器开展月壤样品的定年工作。
本报记者 沈东方 摄
研究所名片
中国科学院地质与地球物理研究所以地球系统科学为主攻方向，建有地球与行星物质成分分析与性质分析、地质年代学测定、地球内部结构探测等地球与空间一体化分析—观测—探测—模拟—研发平台，拥有地质学、地球化学、地球物理学、行星科学、地质资源与地质工程等学科研究中最主要的仪器设备，具备对地球和行星进行全方位综合研究的能力。
月球是什么时候形成的？什么时候“死亡”的？月球的正面和背面为什么截然不同？从人类首次踏上月球，到如今“嫦娥”系列探测器不断深入探索，月球样品承载着无数关于月球的秘密，一直是科学界研究的焦点。
3月27日，国家自然科学基金委员会在2025中关村论坛年会开幕式上发布了2024年度“中国科学十大进展”。其中，“嫦娥六号返回样品揭示月背28亿年前火山活动”研究成果被列为第一条，这也是中国科学院地质与地球物理研究所第三次获此荣誉。近日，记者走进该所离子探针实验室，探寻科学家们给月球返回样品“测年龄”的奇妙故事。
人类对月球的认识随探月工程进展而不断深入，月壤样品研究是取得认知突破的关键
“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺。”在观测天象的漫长历史中，中国古人很早就发现了月相的变化。但当时的人们可能没有意识到，每晚抬头看到的，其实都是月球的“同一张脸”。
作为地球唯一的天然卫星，月球始终只向地球展示同一个半球，这是“潮汐锁定”的结果。由于地球对月球施加的潮汐力，月球的自转周期逐渐与其绕地球的公转周期同步，这种同步让地球永远无法“看”到月球的另一面，也就是我们常说的“月背”。
在关于月球正面的摄影作品中，可以看到其呈现出明显的黑白分区，类似于地球的“黑白照”版本。其中黑色的区域被称为“月海”，早期天文学家以为那是和地球一样的“海”，后来研究发现，这其实是玄武质熔岩流冷却后形成的灰黑色平原。而白色区域被称为“高地”，是月球早期形成的灰白色的以斜长石为主的月壳物质。
在很长一段时间里，科学家曾普遍认为月球背面与正面的地质特征相似。
直到1959年苏联发射的“月球3号”首次拍摄到月球背面的照片，科学界才发现月球背面的“月海”区域极少，即玄武质火山活动少，取而代之的是崎岖的古老高地。除了地形地貌，月球的正面和背面在地壳厚度、放射性元素分布等诸多方面都呈现出显著差异，这种现象被称为月球的“二分性”。
是什么原因造就了月球正面和背面具有如此多的差异？采自月球背面的返回样品成为破解这个谜题的关键。
“月球形成之初，曾呈现为全月范围的岩浆海洋，结晶冷却后形成岩石。由于月球没有大气和水，且磁场微弱，无法有效屏蔽太阳风，再加上陨石频繁轰击、太空风化以及表面巨大的温差，导致月球表面岩石强烈破碎，形成现在看到的月壤。”中国科学院地质与地球物理研究所研究员、离子探针实验室主任李秋立向记者介绍，月壤主要由岩石碎块、玻璃质以及胶结的块体等组成。
国际科学界通过研究认识到，月球正面最年轻的月海火山活动可以追溯至约30亿年前。2021年以来，我国科学家通过“嫦娥五号”返回的月壤样品，证明月球正面20亿年前仍然存在较大规模的岩浆活动。不仅如此，李秋立团队还寻找到了“嫦娥五号”带回的月球样品中的火山玻璃珠，通过U-Pb（铀-铅）同位素定年揭示月球正面甚至在1.2亿年前还存在小规模的火山活动。
月球背面的火山活动都是什么时候发生的？其“月海”区域极少是否也意味着月球背面火山活动时限较短呢？
2024年6月25日，我国“嫦娥六号”月球探测器携带1935.3克月球背面样品抵达地球，这是人类历史上首次带回月背样品。本次采样点位于月球背面的南极-艾特肯盆地内部的阿波罗撞击坑边缘，该区域月壳极薄，遥感研究揭示，采样区的月壤以破碎的月海玄武岩为主，这为开展月背火山活动研究提供了绝佳机遇。
来自月球背面的样品是所有相关领域科研人员都梦寐以求的，每一毫克都珍贵万分。“想要获得月壤样品，需要提交申请书，详细说明研究内容、自身能力、样品保存措施、预期成果及工作计划等，经过月球样品专家委员会的严格评审，才有机会接触到这些‘太空礼物’。”李秋立介绍。
一场探寻月背密码的“旅程”就此开启。
借助离子探针技术为月壤样品定年，将离子束聚焦到3微米的微小区域
走进离子探针实验室，最吸引眼球的就是两台大型的离子探针仪器，机器的运转声告诉记者，它正在辛勤工作。
“这就是我们的‘实验舞台’。”地质与地球物理研究所博士生杨慕涵和陈浏阳手持几个硬币大小的样品靶向记者展示，这些直径约2.5厘米的圆片上，散布着细小的黑色颗粒。“可别小看这些‘黑点’，它们就是珍贵的月壤样品颗粒。而我们实验用的单颗粒径通常小于1毫米。”
样品制备是研究的关键环节。科研人员需在超净间中，精挑细选月壤颗粒，然后用高纯度环氧树脂进行包埋。这种处理既能固定样品位置，又能最大限度避免地球污染。制成的样品靶主要用于微区分析，通过电子探针来测量其成分，通过离子探针来分析其同位素等。
“基于不同的研究目的，月球样品的储存条件也不一样。比如，研究磁场相关的样品不能受磁干扰，需特殊屏蔽；而我们主要研究岩屑的元素含量和同位素组成，在前处理时要保持超净环境，避免地球物质的污染。”李秋立介绍，月壤是“可持续利用”的，同一份样品可以给不同研究团队用于科研分析，力争每一个颗粒都能发挥最大科研价值。
同位素定年，即利用放射性元素核衰变规律测定地质体年龄的方法，可以帮助我们理解地质演化过程。这是离子探针实验室的核心工作之一，也是探寻月球演化历史的关键。
“遥感工作显示，‘嫦娥六号’采样点周围可能分布有多期次、多类型的玄武岩，这意味着样品中的玄武岩岩屑可能形成于不同地质时期的火山活动，我们需要将每一颗岩屑当作独立样品进行研究。”地质与地球物理研究所博士后张谦说，“我们共选取了108颗粒径大于300微米的玄武岩岩屑，进行了放射性同位素定年。”
离子探针仪器就是完成定年工作的关键所在，这台机器身躯虽大，干的却是小到微米的精细活。
“它最厉害的功能是对非常小的区域进行高精度原位分析。”地质与地球物理研究所正高级工程师刘宇介绍，“对于精确测定月海玄武岩年龄而言最重要的矿物是含锆矿物，比如含锆矿物里的斜锆石，但斜锆石的粒径通常小于5微米，这对分析技术提出了很高的要求。”经过他的改进，离子探针仪器能将离子束聚焦到3微米，这在国际上处于领先水平，而普通绣花针的针尖直径至少有100微米。
在仪器操作演示的过程中，刘宇系统介绍了锆石U-Pb（铀-铅）同位素定年原理和离子探针仪器的工作原理。离子探针通过产生的一次离子，聚焦轰击样品表面，激发出携带样品信息的二次离子，这些二次离子经过双聚焦质量分析器分离后由不同的接收器接收。根据校正后的同位素比值，再经过计算，可得到样本的同位素年龄。
研究发现月背火山活动至少持续14亿年以上，新的探月工程将破解更多未解之谜
火山活动是了解月球热演化的重要依据，火山活动停止表明月球失去了内动力，即地质意义上的“死亡”。
火山活动与星球大小密切相关。一般来说，体积、质量越大的星球，内部放射性元素储量更高，且因表面积与体积比更小，散热效率低、热量散失更慢，维持内部地质活动的时间更长。月球的体积不及地球三分之一，结合以往研究成果，学界曾认为月球的内部在30亿年前就失去了地质活力。
通过对108颗玄武岩岩屑的测定，李秋立团队共测得两期火山活动年龄，其中107颗样品年龄为28亿年，另外1颗为42亿年。“这一结果说明月背岩浆活动至少持续到了28亿年以前，综合来看，两期玄武岩指示月球背面火山活动至少持续了14亿年以上。”李秋立说，“这些年龄也填补了月球正面玄武岩样品在该时期的记录空白。而且，这两期玄武岩来自性质完全不同的月幔源区——月幔中岩浆的产生地。”
与此同时，新的研究问题随之而来。按照以往理论，月球形成于约45亿年以前，它的质量只有地球的1.2%左右。如此小的天体，理论上它应该快速冷却而早早地停止火山活动。但月壤样品的测试结果显示，无论正面还是背面，火山活动都至少持续到了距今28亿年以前。月球火山活动持续如此之久的原因是什么？是月球内部放射性元素的持续生热，还是存在其他未知的机制？
为了解开这些谜团，未来的研究方向也逐渐明晰。“我们对月壤样品的研究仍在进行中，接下来的工作重点是进一步探究月球地质活动持续时间长的原因。希望能找到更多不同年龄的样品，细化月球地质活动的历史，了解不同时期发生的地质事件。我国‘嫦娥工程’返回样品的研究价值巨大，未来‘嫦娥七号’‘嫦娥八号’等任务也会带来更多的研究机会。”李秋立表示。
中国计划2026年发射“嫦娥七号”去往月球的南极进行探测。其中，我国自主研发的月震仪将会被布设在月球上，该仪器能够通过测量月震波在月球内部的传播情况，来推断月球内部是否存在熔融层。
“嫦娥八号”预计在2028年前后发射，也计划在月球的南极区域着陆。其任务除了要在月球上建立通信系统和能源系统，最重要的是要验证在月球上就地取材，利用月壤原位3D打印，为在月球上盖房子做准备。
探索永无止境。新的探月工程将带回新的数据和样品，帮助科学家们将其与现有样品研究成果相结合，构建更全面、准确的月球地质演化模型，为人类理解月球的整体演化提供更坚实的依据。（记者 沈东方）