摘要：
月球晚期火山活动记录了月球深部热演化与壳幔地质过程。嫦娥六号采样区位于月球背面南极-艾肯盆地内部的阿波罗盆地南部月海平原，系统认识该区域的地层结构与玄武岩厚度，对于解析嫦娥六号样品的地质背景具有重要意义。本研究聚焦于嫦娥六号着陆区，系统开展了月海玄武岩的厚度结构与成分特征分析。在传统撞击坑挖掘深度法的基础上，本研究提出并优化了一种“撞击坑多层穿透深度法”，通过联合分析撞击坑溅射物的成分特征与空间分布，实现在多期玄武岩层中高精度反演厚度结构。研究结果表明，嫦娥六号着陆区上覆的爱拉托逊纪中-高钛玄武岩单元平均厚度约为79 m，具有自西向东“先厚—后变薄—再增厚”的空间变化趋势，下伏的雨海纪低钛玄武岩单元平均厚度约为44 m，呈西北向东南逐渐变薄的特征。两期玄武岩的喷发体积相当，分别约为520 km3与474 km3。二者之间由一条模式年龄约为32亿年的皱脊所分隔，该构造有效界定了两期玄武岩喷发事件的年代边界。该发现表明，月球背面晚期火山活动的驱动机制主要源于壳体减薄带来的局部岩浆上涌，而并非喷发强度增强。厚壳结构对岩浆上升及岩墙扩展的抑制作用，可能是月球背面火山喷发规模受限的主要原因。
月海玄武岩记录了月球内部热状态与演化历史，是理解月球地质演变的重要窗口。与月球正面玄武岩广泛分布的特征不同，月球背面的玄武岩主要局限于南极-艾肯（South Pole–Aitken, SPA）盆地内部。嫦娥六号着陆点位于SPA盆地内阿波罗盆地边缘，该区域玄武岩的年龄约为2.8 Ga (Che et al., 2025; Zhang et al., 2024)。然而，关于该区玄武岩的厚度、体积及其空间展布特征，仍缺乏精细和定量的约束，制约了对月背火山活动规模与驱动机制的深入理解。
撞击坑可将深部物质挖掘至表面，提供观测地下结构的天然窗口。本研究基于Kaguya多波段成像仪获取的FeO与TiO2含量数据，结合LROC高分辨率影像，在嫦娥六号着陆区识别出一系列边缘清晰、成分异质性显著的小型撞击坑。通过分析这些撞击坑溅射物的成分变化特征，本研究将嫦娥六号着陆区划分为四个地质单元（图1）：非月海区（N-M）、东部低钛玄武岩单元（E-MB）、中部中钛玄武岩单元（C-MB），以及受Chaffee S撞击坑溅射物污染的西部中钛玄武岩单元（W-MB）(Jia et al., 2024)。
图 1. CE-6着陆区的成分与光谱特征
图 2. (a)穿透型（L-P，如19号坑），(b)半穿透型（HP，如4号坑）和(c)全穿透型（FP，如13号坑）的同心溅射物环。(d)13号坑的剖面图。
基于“撞击坑多层穿透深度法”，本文通过撞击坑溅射环半径与挖掘深度之间的关系，反演得到嫦娥六号着陆区玄武岩的层状结构与厚度分布（图2）。典型的全穿透型撞击坑（如13号坑）揭示了完整的三层地层序列：表层中钛玄武岩（Em）、下伏低钛玄武岩（Im）以及更深部的高地基底。相比之下，部分穿透型撞击坑（如4号坑）仅穿透表层中钛玄武岩，暴露出其下伏的低钛单元。结果显示（图3），表层中钛玄武岩（Em）厚度范围为53–111 m，平均约79 m，空间上呈现出“西厚—中薄—东再增厚”的分布趋势；下伏的低钛玄武岩（Im）厚度为33–59 m，平均约44 m，自西北向东南逐渐变薄。此外，着陆区东侧分布的一条南北向皱脊在其周围缓冲区内的撞击坑定年结果表明，该构造形成于约3.2 Ga，介于两期玄武岩喷发事件之间。推测该皱脊为低钛玄武岩（Im）单元在冷却收缩过程中形成，并在后期有效阻挡了中钛玄武岩（Em）熔岩的东向流动。
图 3. 嫦娥六号区玄武岩厚度的空间分布
基于厚度和分布面积估算，表层中钛玄武岩（Em）单元的体积约为520 km3，下伏低钛玄武岩（Im）单元体积约为474 km3。两者体积相近。该发现挑战了“月球火山活动随时间递减”的传统认识 (Pasckert et al., 2018)，表明在月球背面晚期仍可能发生规模可观的熔岩喷发事件。与嫦娥五号着陆区相比，嫦娥六号区域玄武岩在成分和厚度上具有相似性，但其喷发体积仅为前者的约三分之一。这表明尽管月球背面的较厚月壳不利于岩浆上涌，限制了岩浆的侵位与扩展，但月幔的局地热异常或构造通道仍可触发中等规模的火山活动。总体而言，月背火山活动呈现出局地性、规模较小的特征，反映出其受控因素更加复杂。
与传统的撞击坑深度推断方法相比，“撞击坑多层穿透深度法”在识别多期叠覆玄武岩单元方面展现出更高的分辨能力与适用性。本研究最终构建了一套具有通用性与可扩展性的月表多层玄武岩厚度反演技术体系，为后续在月球及其他无大气天体上开展多层地质结构反演研究提供了关键方法支撑与技术路径。
上述研究成果以“Mare Basalt Thickness in the Chang'E-6 Landing Region: Insights Into Late-Stage Volcanism in the Lunar Farside South Pole–Aitken Basin”为题发表在Journal of Geophysical Research: Planets期刊上。本文第一作者是山东大学博士研究生贾子祎，共同通讯作者是山东大学凌宗成教授和曹海军博士后。该成果得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的共同资助。
论文链接：
Jia, Z., Cao, H., Lu, X., Qiao, L., & Ling, Z. (2025). Mare Basalt Thickness in the Chang'E‐6 Landing Region: Insights Into Late‐Stage Volcanism in the Lunar Farside South Pole–Aitken Basin. Journal of Geophysical Research: Planets, 130(5). https://doi.org/10.1029/2024je008835
参考文献：
Che, X., Long, T., Nemchin, A., Xie, S., Qiao, L., Li, Z.,…Liu, D. (2025). Isotopic and compositional constraints on the source of basalt collected from the lunar farside. Science, 387(6740), 1306-1310. https://doi.org/10.1126/science.adt3332
Jia, Z., Chen, J., Kong, J., Qiao, L., Fu, X., & Ling, Z. (2024). Geologic context of Chang'e-6 candidate landing regions and potential non-mare materials in the returned samples. Icarus, 416, 116107. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2024.116107
Pasckert, J. H., Hiesinger, H., & Van Der Bogert, C. H. (2018). Lunar farside volcanism in and around the South Pole–Aitken basin. Icarus, 299, 538-562. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.07.023
Zhang, Q. W. L., Yang, M.-H., Li, Q.-L., Liu, Y., Yue, Z.-Y., Zhou, Q.,…Li, X.-H. (2024). Lunar farside volcanism 2.8 billion years ago from Chang’e-6 basalts. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08382-0
