锌同位素记录不同嫦娥五号样品中的月球火成放气与表面过程

以新的视角看月球如何失去“呼吸”

月球保存着岩质天体（如地球）获得与失去最易挥发成分的线索：那些可以以气体形式蒸发散失的挥发性元素。本研究利用来自中国嫦娥五号任务带回的岩石和土壤中锌的微小同位素差异，重建了月球的炽热诞生及其意外温和的晚期火山活动。对任何关心我们近邻如何从熔融球演化为今天这颗寂静世界的人来说，这些样品提供了难得的时间胶囊。

从几块岩石读出月球的过去

嫦娥五号在洄流洋（Oceanus Procellarum）的相对年轻的熔岩平原着陆，并带回了1.7公斤月球物质，包括固体火山岩（玄武岩）和松散的表层土壤（风化层）。该地区的玄武岩年龄约为二十亿年——比阿波罗任务带回的任何熔岩都年轻约一亿年，因此将月球火山作用的记录延伸到了月球晚期历史。化学上，这些玄武岩仍然非常干燥并且挥发性元素贫乏，尽管它们相对年轻，这表明月球深部在形成很久之后仍然缺乏易挥发成分。

来自暴力开端的沉重指纹

研究者集中研究了锌同位素，可以把它们视为同一元素的稍重或稍轻版本。当物质强烈加热时，较轻的同位素更容易逸出成为气体，从而使残留岩石富集较重的同位素。嫦娥五号玄武岩的锌同位素值与阿波罗的月海玄武岩和月球陨石非常接近：与地球地幔相比，它们始终表现出“偏重”。这些测量的模拟表明，早期月球物质在近于蒸气饱和的条件下经历了剧烈的蒸发，这最有可能发生在形成月球的大碰撞以及随后的全球岩浆海时期。关键在于，较年轻的嫦娥五号熔岩并未显著改变这一继承来的特征，表明月球内部在很早便已被全球性地剥夺了挥发物，并在数十亿年间保持相对均一。

不按预期表现的土壤

真正的惊喜出现在周围的风化层。在较老的阿波罗着陆点，表层风化层通常比下伏岩石含有更多的重锌同位素。这一模式可由“太空风化”解释：长期由微陨石和太阳风造成的缓慢喷砂作用，倾向于将较轻的同位素逐渐敲打逸入太空。然而在嫦娥五号着陆点，风化层的锌同位素比玄武岩更轻，这一较轻特征从地表向下延伸至65厘米深，随深度几乎没有变化。其他指标显示该风化层相对不成熟：层薄、遭受冲击较少，并且含有的陨石组分少于典型的阿波罗土壤。计算结果表明，仅靠微陨石轰击和植入颗粒本身无法产生观察到的高锌含量与较轻同位素值的组合。

月球晚期温和的一口气

为了解释这些观测，作者提出嫦娥五号地点的风化层被富锌的火山蒸气所覆盖。在大约二十亿年前的温和火山或 fumarole（热泉）活动期间，含锌气体以相对低于冲击事件的温度从岩浆中逸出。当这些蒸气上升并冷却时，以轻锌同位素为主的凝结颗粒形成，沉降并混入风化层。简单的混合模型表明，仅加入几十个百万分之一的此类凝结物即可解释嫦娥五号土壤中同时存在的锌含量升高和同位素偏轻，而不抹去下伏玄武岩中的重同位素指纹。与早期可能短暂包裹月球于薄大气中的更剧烈喷发不同，这些较年轻的事件很可能是在近真空条件下释放气体，导致“过量脱气”——气体局部逸散并在近场重新凝结，而非形成全球性包层。

这对月球故事意味着什么

综合起来，嫦娥五号的测量揭示了一个两阶段的故事。首先，月球内部在其剧烈诞生和早期岩浆海阶段中被强烈耗损挥发性元素，留下了仍可在年轻玄武岩中看到的均一重锌指纹。随后，相对温和的火山放气悄然用一层富锌的凝结物覆盖了表面，这些凝结物携带较轻的同位素，特别是在那些未被剧烈重塑的区域。对普通读者而言，关键的信息是：即便是今天这颗寂静、无大气的月球，仍在单一元素的细微同位素差异中保留着既有灾难性起源又有逐渐消退的火山“呼吸”的记录。

引用: Wang, Z., Tang, H., Zhang, Y. et al. Zinc isotopes record lunar magmatic outgassing and surface processes in different Chang’e-5 samples. Commun Earth Environ 7, 185 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03215-6

关键词: 月球形成, 月球火山作用, 嫦娥五号, 锌同位素, 太空风化