在月球上行驶的玉兔号月球车。图片来源：CNAS/CLEP
2013年，嫦娥三号探测器着陆在月球雨海盆地的北部，这是地球上看过去月面上最显眼的一块被熔岩覆盖的撞击盆地。
美国华盛顿大学圣路易斯分校的地球及行星科学教授布拉德利·L·乔立夫（Bradley L. Jolliff）说，这是一片美丽的着陆地点。他参与了一项教育合作计划，帮助分析子嫦娥三号发回的数据。嫦娥三号着陆在一块平滑的玄武岩平原上，紧挨着一个相对“新鲜”的撞击坑（现在被正式命名为紫薇撞击坑），这个撞击坑将风化层（即月球地表由破裂岩石构成的表层）之下的基岩翻掘了出来，方便月球车玉兔对它展开研究。
自阿波罗计划终结以来，美国的月球探测主要由轨道探测主导。然而，轨道上的传感器主要探测的是覆盖在月球表面的风化层，而风化层通常由多种矿物混合，很难解释清楚。
由于嫦娥三号着陆在相对年轻的熔岩流上，风化层较薄，而且没有与来自其他地方的碎片混合。因此，它的化学构成与底层的火山基岩十分类似。这种特性使得着陆地点成为了一个理想的地点，可以用来比较就地探测与在轨卫星遥感探测的化学构成有什么区别。
乔立夫说，“现在，我们给遥感探测器找到了一个‘地面实况’数据，在一个关键位置得到了测量精准的样本。我们的在轨探测也在其他位置看到过同样的信号，现在我们知道，那些地方可能也有类似的玄武岩。”
嫦娥三号着陆地点的玄武岩，经过分析，也不同于阿波罗任务和其他月面采样返回任务带回地球的任何样本。
乔立夫说，“这种多样性告诉我们，月球的上地幔与地球相比，化成成分的均匀性要差很多。把化学构成与岩石年龄关联起来，我们能够看到月球上的火山活动随时间的变化。”
对这些数据的采集和分析，12月22日发表在《自然通讯》杂志上。合作这项研究的科学家，一方面来自参与嫦娥三号任务的多个中国研究机构，另一方面则来自于山东大学（威海）和华盛顿大学圣路易斯分校之间长期的一项教育合作项目。
嫦娥三号着陆于月球的雨海北部，这里的玄武岩形成年龄要比阿波罗登月地点更加年轻。图片来源：NASA
矿物学谜题
月球，被认为是一颗火星大小的天体与地球相撞而产生的，最初是一个熔融或者部分熔融的天体，随着冷却才逐渐分离出了月球的地壳、地幔和地核。不过，月球内部放射性元素衰变产生的热量逐渐聚焦起来，又重新熔融了部分月球地幔，在月球形成大约5亿年后开始喷发到月球的表面，在撞击坑和撞击盆地内汇聚而形成月海。绝大多数月海都位于月亮朝向地球的一面。
美国的阿波罗计划（1969－1972）和苏联的月球计划（1970－1976）采集到的月球玄武岩样本，都来自于月球火山活动的巅峰时期，形成于大约30亿到40亿年前。而嫦娥三号着陆的雨海盆地，所含的熔岩流相对年轻一些，距今只有不到30亿年。
阿波罗和月球计划采回的玄武岩，要么钛含量较高，要么钛含量极低，根本不存在钛含量适中的情况。而据山东大学（威海）空间科学及物理学院副教授凌宗成博士所说，玉兔号月球车上携带的α粒子X射线光谱仪和近红外高光谱成像仪所作的测量表明，嫦娥三号着陆点的玄武岩钛含量适中，并且富含铁。凌宗成是那篇论文的第一作者。
在测绘和理解月球火山活动方面，钛元素特别有用，因为它的含量差异极大，从二氧化钛质量比不足1%，一直到超过15%不等。这种差异反映了早期月球地幔海洋开始凝固时，月球地幔的不同区域存在显著的不同。
华盛顿大学文理学院地球与行星科学研究教授王阿莲（Alian Wang，音译）解释说，矿物结晶从玄武岩岩浆中析出是有一个特定顺序的。通常，最先结晶的是两种富含镁和铁的矿物（橄榄石和辉石），它们的密度都比岩浆稍大一些，会往下沉，然后另一种矿物（斜长石）密度较小，会上浮到岩浆表面。这种由结晶导致的分离过程，在岩浆海洋冷却的过程中形成了月球的地幔和地壳。
钛最后留在了一种矿物当中，被称为钛铁矿（FeTiO3），这种矿物通常不会结晶，除非到了非常非常晚的时期，原始岩浆中只有大约5%还处在熔融状态之时。当它终于结晶的时候，富含钛铁矿的物质也会因为密度较大而沉入月球地幔，形成钛富集区。
乔立夫说，“月球表面钛分布的差异性显示，月球内部并非完全均匀。我们还在尝试弄清楚，这到底是怎么发生的。或许在岩浆海洋时期发生过大规模天体撞击，打乱了月球地幔的形成。”
月球雨海盆地的四幅遥感图片，显示了嫦娥三号的着陆地点（箭头所指）在不同的遥感探测器眼中有何不同。嫦娥三号和玉兔号月球车的实地考察，对于校准这些遥感探测的结果至关重要。图片来源：NASA/LPI
月球过往的另一条线索
另一件让人纠结的发现，强调了比对在轨遥感数据与地面实测数据的重要性。对嫦娥三号着陆地点的遥感数据显示，这里不只含有钛元素，而且富含橄榄石。
王阿莲表示，这根本就说不通，因为橄榄石通常结晶较早，而钛铁矿要很晚才能结晶。找到一块岩石同时富含两种矿物，是有一点奇怪的。
不过玉兔号月球车破解了这一难题。在橄榄石中，硅与镁或铁配对，但这后两种元素的比例在不同阶段形成的这种矿物中可谓千差万别。早期形成的橄榄石应该富含镁，而玉兔号测量的橄榄石中，铁含量中等甚至偏高。
乔立夫说，“这样就说得通了，因为富含铁的橄榄石和钛铁矿很可能是同时结晶形成的。不过你仍然得解释，为什么会有一块岩石既富含橄榄石，又富含钛铁矿。一种办法是，混合两种不同的来源。”
科学家指出，岩浆海洋结晶晚期，富含铁的辉石和钛铁矿在月球地壳和地幔交界处形成，可能开始下降，而早期形成的富含镁的橄榄石可能开始上浮。这个过程就会导致两种矿物混合在一起。
乔立夫说，“考虑到那些数据，这就是我们的解释。”
无论如何，这些最新被测定性质的玄武岩都清楚地表明，月球要比当年阿波罗和月球任务之后那些研究所揭示的月球更加多样。乔立夫说，遥感探测显示，月球上还有更年轻和更多样的玄武岩，等待未来的无人探测器或者人类宇航员前去调查。（编辑：Steed）
参考文献
- 《自然通讯》，dx.doi.org/10.1038/ncomm9880