月球發電機的演化過程對于揭示月球的內部結構、熱歷史以及表面環境具有重要意義。衛星觀測和月表實測結果都顯示現今月球沒有全球偶極磁場，然而月殼存在大規模的磁化(圖1)，表明月球可能曾有過發電機磁場，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電機，強度可達幾十微特；在約31億年下降了一個數量級，維持在幾微特的強度；在15–10億年強度再次下降，并最終在距今10億年后的某個時刻月球發電機完全停止。目前發表的月球古磁場強度數據主要集中在30億年前，而月球磁場中晚期演化過程則缺乏約束。此外，已有強度分析測量數據均來自月球正面返回樣品，對月球背面的認識處于空白。月球古磁場時空分布信息的缺乏，導致了關于月球磁場的持續時間、幾何形態和驅動機制等問題存在較大爭議，例如，關于月球發電機持續時間的問題有學者提出了完全不同的觀點，認為月核發電機難以長期存在，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著陸點分布
 

　　嫦娥六號任務首次實現月背采樣，從南極-艾特肯盆地內的阿波羅撞擊坑(41.64°S, 153.99°W)采回了人類首批月背樣品，共計1935.3克。中國科學院地質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隊聯合中國科學院國家天文臺對獲批的毫米級玄武巖巖屑樣品開展磁學研究工作。已報道的嫦娥六號樣品玄武巖主期次噴發年齡為28億年(本所李獻華研究員團隊和中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛研究員團隊結果)，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《嫦娥六號月球樣品揭示月背28億年前的巖漿活動》)，揭示出這些樣品來自月球背面并處于關鍵的年齡空窗期。研究團隊對這些巖屑樣品開展了詳細的古磁場強度、巖石磁學和顯微學分析，研究結果為認識月球發電機時空演化和能量來源提供了關鍵約束。
 

　　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度實驗方法來估算嫦娥六號玄武巖巖屑記錄的月球古磁場強度，包括地外樣品常用的非磁滯剩磁(ARM)和等溫剩磁(IRM)校正法，實驗通過古地磁與年代學實驗室的RAPID高靈敏度超導磁力儀完成，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出一定差異，一般持續到24–50 mT；高矯頑力組分(HC)通常從≥ 26 mT持續到100–150 mT。樣品211和038的HC組分表現相對穩定，持續衰減至原點，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。而樣品392的HC組分方向更為分散， MAD小于DANG，未能趨向原點。
 

　　除392外，其余三個樣品的HC組分均可認為是代表巖漿噴發時記錄的原生特征剩磁，因此可以用這些樣品的HC組分計算古強度。ARM校正方法計算的結果約為8–13 μT，而IRM校正方法的結果約為5–21 μT，兩種方法的校正系數分別采用經驗值1.34和3000。樣品392的HC組分通過ARM和IRM方法計算出的古強度分別為~10 μT和9 μT，與樣品211(圖3)和038的結果一致，但由于該樣品的HC組分不趨向原點，我們采用AREMc和REMc方法估算其古強度值，結果分別為< 20 μT和< 16 μT。四個樣品的古強度可靠性檢驗表明，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的古強度結果。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據，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校正方法古強度結果。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度的數據點

 

　　巖石磁學結果表明，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。巖石磁學和顯微鏡觀測結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度。
 

　　月球樣品的剩磁可能來自多種磁源，包括月球發電機磁場，月殼磁異常、VRM和IRM污染以及撞擊相關的磁化等，分析樣品中不同組分剩磁的來源是解釋古強度數據的關鍵。本文分析了多種可能的剩磁來源：1)根據月球磁異常模型預測和磁異常正演模型計算結果推測嫦娥六號著陸區的磁異常強度可能不超過幾十納特，而嫦娥六號玄武巖恢復的古強度為5–21 μT，表明局部月殼磁異常對古強度值的貢獻非常有限；2)VRM測試結果顯示這些玄武巖樣品獲得VRM的能力較弱，根據樣品392的VRM獲得和衰減實驗推斷，在地球磁場中兩個月，其VRM獲得量可能不超過5%。交變退磁結果顯示VRM的退磁場強一般< 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)地外樣品通常經歷了復雜的撞擊歷史，這可能導致樣品發生退磁或獲得撞擊相關的剩磁。樣品CT、SEM、拉曼光譜和光學顯微鏡分析結果顯示玄武巖巖屑保持了噴發結晶時的晶體結構(次輝綠或斑狀結構)(圖2)，且在礦物中未觀察到明顯的平面斷裂、波狀消光等現象，其拉曼光譜也未見到譜峰變寬或移動。這些結果表明，樣品在噴發后經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果表明它們從熔巖流冷卻結晶的過程足夠慢，也不太可能記錄撞擊產生的等離子體瞬態場。這些測試結果表明樣品HC組分記錄的古強度值最可能來自于月球發電機磁場。
 

　　嫦娥六號玄武巖形成于約 28 億年前，其記錄的古強度范圍為~5–21 μT，中值為~13 μT，結果為30–20億年之間月球磁場演化的數據空窗期提供了關鍵錨點。即使考慮上非加熱古強度方法校正系數引入的誤差，這些數據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生反彈(圖4)。此外，嫦娥六結合已有古強度數據指示月球發電機的強度可能存在一個隨時間指數下降的整體趨勢，對古強度數據取對數后，其與時間呈現出弱線性相關關系(r2 = 0.3)。進一步對原始強度數據取對數后再進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35–28億年間發生顯著波動，指示月球發電機此時可能處于不穩定狀態，這一發現將為未來月球探測任務尋找可能的磁場倒轉提供重要參考。
 

　　嫦娥六號返回的玄武巖古強度數據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據，但結合已有30–15億年的強度結果，推測在此期間可能存在一個全球性的月球發電機。已有研究認為月球發電機強度在~31億年前急劇下降之后一直處于低能量狀態，直至10億年后最終消亡，并據此推測31億年后的弱發電機可能是由月球核結晶或進動驅動的。然而嫦娥六號的玄武巖強度數據顯示28億年前月球磁場出現了反彈，表明月球發電機在早期急劇下降后可能重新激活，指示發電機主要能量來源發生變化或初始驅動機制再次增強。對比不同發電機模型的模擬結果，嫦娥六號記錄的古強度與基底巖漿洋模型產生的場強最為一致(圖4)。考慮到約束模型的參數存在較大不確定性，進動發電機也是可能的驅動機制，或者是二者共同驅動了月球發電機的運行。此外，其他機制(如核結晶)也可能為月球發電機提供補充能量。但值得注意的是，由于基底巖漿洋和進動發電機模型仍存在較大的不確定性，月球發電機確切的能量來源還需進一步評估。
 

　　圖4 月球磁場強度演化圖。紅色和藍色五角星代表嫦娥六號樣品ARM和IRM校正方法古強度。橙色誤差棒表示對嫦娥六號古強度數據基于t分布的105次重抽樣處理后的平均古強度95%置信區間(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度方法校正系數誤差。空心符號代表強度值上線

 

　　研究成果發表于國際學術期刊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.)。研究受國家自然科學基金委 (42241101, 42388101, 42488201)、中國科學院先導B(XDB 1180000, XDB 0710000)和研究所重點部署 (IGGCAS-202401) 項目共同資助。