嫦娥五號玄武巖揭示20億年前月球存在弱磁場|蔡書慧等-SA

由發電機產生的月球磁場可以反映其內部結構及熱狀態，也能影響月表環境。因此，認識月球磁場的變化過程可以為理解月球演化歷史提供重要約束。阿波羅時代至今的遙感數據和月表原位測量表明月球現在不存在類似地磁場的全球性偶極磁場，但阿波羅返回樣品的古強度數據以及部分磁化的月殼（圖1）指示月球可能曾有過發電機磁場。但是已有的現代月球古強度數據主要集中在30億年前，30億年后的阿波羅數據均來自于經歷過強烈沖擊改造的表土角礫巖，導致部分學者質疑其記錄的磁場可能受撞擊影響，且準確限定這些角礫巖的形成年齡比較困難。因此，目前對于月球發電機磁場持續時間及其中晚期演化過程仍存在較大爭議。

圖1月球表面磁異常分布圖。五角星、圓形和方塊代表嫦娥五號、阿波羅和月球號探測任務著陸點

我國嫦娥五號任務從風暴洋區域采集了人類首批月球中緯度玄武巖樣品（圖1），玄武巖受到撞擊改造程度一般較小，能夠代表火山噴發時的月球古磁場強度。以李獻華研究員團隊為代表的中外學者獲得的嫦娥五號玄武巖噴發年齡為~20億年，代表迄今為止最年輕的月球玄武巖返回樣品，這些年輕玄武巖為獲取月球中晚期古磁場數據提供了獨特的機遇。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、中國地質大學（武漢）等單位對獲批的9顆毫米級玄武巖巖屑樣品開展了詳細的磁學分析，相關結果為認識月球發電機中晚期演化歷史提供了關鍵約束。

針對月球返回樣品稀有量少、磁信號弱等特點，團隊建立一套適合地外微小、弱磁樣品的高精度、低損耗磁學方法研究體系，為嫦娥五號及后續深空探測返回樣品磁學研究提供技術支持和保障。該研究采用多種古強度測試方法，獲得了月球20億年前可靠的發電機磁場信息。研究顯示，月球在距今20億年前仍存在一個較弱的發電機過程，所產生的磁場強度為~2–4 μT（圖2）。這一結果表明20億年前月球深部仍保持一定的熱對流或熱傳導，其驅動能量可能來源于內核結晶、進動、鈦鐵礦堆晶下沉等過程，仍然具有活力的月球深部可能為月球年輕火山活動貢獻了一定的熱量（圖3）。

圖2月球磁場強度演化圖。紅色和藍色五角星代表嫦娥五號樣品非加熱和加熱方法古強度。黑色符號代表經過篩選的已發表阿波羅樣品古強度，其中空心符號代表強度值上限

圖3嫦娥五號玄武巖樣品揭示20億年前月球存在弱的發電機磁場，指示該時期月球深部仍具有一定活力

研究成果以封面文章發表于國際學術期刊Science Advances，封面文字介紹：“月球磁場的演化有助于解譯月球的內部結構、熱歷史和表面環境。蔡等人利用嫦娥五號任務從月球中緯度的風暴洋采集的月海玄武巖樣品，揭示了20億年前月球存在一個微弱的發電機磁場。他們的研究還提出了年輕月球火山活動起源的另一種可能機制。這些研究成果將有助于推動月球太空風化和揮發性物質的相關研究”。

期刊邀請國際行星領域著名學者麻省理工學院Benjamin P. Weiss教授撰寫了題為《The Moon goddess’s magnetic midlife》的聚焦文章，重點解讀本研究成果，并與本文同期發表。Weiss教授在文中提到嫦娥五號玄武巖是目前返回的最年輕的玄武巖樣品、剩磁載體比較理想、采樣緯度更高，作者們抓住嫦娥五號這些獨特的優勢，通過細致嚴謹的研究工作獲得嫦娥五號玄武巖記錄的月球磁場古強度，提出月球發電機可能至少持續到了月球演化的中期，并創新性的利用嫦娥五號獨特的地理位置嘗試討論月球磁場形態分布，為認識月球磁場幾何形態提供了寶貴信息。

研究成果發表于Science Advances（蔡書慧*，秦華峰，王華沛，鄧成龍，楊賽紅，徐亞，張馳，唐旭，谷立新，李曉光，沈中山，章敏，何況，祁鍇賢，樊耘暢，董良，侯祎斐，石平原，劉雙遲，蘇菲，陳意，李秋立，李金華，Ross N. Mitchell，賀懷宇，李春來，潘永信，朱日祥. Persistent but weak magnetic field at the Moon’s midstage revealed by Chang’e-5 basalt [J].?Science Advances, 2025, 11: eadp3333. DOI: 10.1126/sciadv.adp3333。研究受國家自然科學基金委 （42241101, 42388101, 42488201, 42030205）、中國科學院和研究所重點部署 （ZDBS-SSWJSC007-3, IGGCAS-202401）項目共同資助。

美編 | 陳永焱

校對 | 劉強