月球表面遍布着大小不一、密布的陨石撞击坑，它们见证了太阳系漫长的撞击历史。这些撞击坑显著地改变了月表的形貌与化学组成。但是，关于撞击坑是否能够影响深部月幔以及如何影响，长期以来存在争议。南极-艾特肯盆地（SPA）是月球上最古老、规模最大的撞击坑，直径约2500公里。如此巨大的撞击可能对月球深部造成影响。数值模拟显示，该撞击事件至少挖掘出上百公里深的物质，其释放的巨大热能还可能触发了月幔对流，很可能使富含钾、稀土元素和磷（KREEP）的物质从月球背面输送至正面，从而促进了风暴洋克里普地体的形成，并引发广泛的月海玄武岩喷发。因此，研究该盆地形成时的撞击效应显得至关重要。
2024年6月，我国嫦娥六号任务首次从SPA采样并成功返回，为研究该盆地的形成时间、机制与撞击效应提供了关键样本。国内研究团队通过系统分析，发现了一类新型苏长岩，证实其为撞击熔岩，很可能源自撞击引发的壳幔物质重熔——该过程形成一个数十公里的岩浆池，并从中结晶而成。然而，此次撞击究竟如何影响了背面月幔的组成与性质，仍是一个未解之谜。挥发份与中等挥发性元素及其同位素，可为追溯撞击对深部月幔的潜在影响提供了关键线索。在撞击产生的高温高压条件下，这些元素极易发生挥发与分馏，其同位素组成能够灵敏记录下撞击过程的温度、能量及物质来源信息，从而成为揭示撞击深部效应的理想示踪剂。
为深入研究上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所田恒次研究员、杨蔚研究员、李献华院士、吴福元院士等人提出了新的研究方案，他们对从嫦娥六号月壤中挑选出的毫米级玄武岩颗粒，进行了酒精清洗处理、高精度原位CT、超低消耗量全岩主微量成分分析，以及高精度钾（K）和铁（Fe）同位素测试，并获得以下新认识：
（1）鉴于嫦娥六号月壤成分复杂且含有多种类型玄武岩，为确认所选颗粒属于玄武岩，研究团队利用微米CT对颗粒进行观察，并依据岩相学结果最终选取四颗玄武岩进行成分分析（图1）。
图1 月球高程图及用微米CT获取的玄武岩内部界截面图
研究团队运用超低消耗量分析技术获取了这四件样品的主量和微量元素数据。结果与已报道的嫦娥六号低钛玄武岩成分相似，既验证了本研究所用分析技术的准确性和可靠性，也进一步确认所研究样品属于28亿年低钛玄武岩。之后，团队采用基于碰撞反应池多接收等离子体质谱仪（CC-MC-ICPMS）建立的高精度Fe、K同位素分析技术，测得玄武岩的δ56Fe为0.13 ± 0.03‰ ~ 0.21 ± 0.02‰（2SD），δ41K为0.001 ± 0.028‰ ~ 0.093 ± 0.014‰（图2）。对比显示，其Fe同位素组成较所有已知低钛玄武岩（包括阿波罗、嫦娥五号样品及陨石）偏重约0.08‰，而K同位素组成也比所有已报道的阿波罗玄武岩重约0.16‰（图2）。
图2 嫦娥六号玄武岩和月球其它样品的Fe和K同位素分布
（2）针对嫦娥六号玄武岩中偏重的Fe和K同位素组成，研究团队首先评估了宇宙射线照射对两者同位素的影响，计算表明其贡献微乎其微。随后，团队对岩浆洋分异、部分熔融及分离结晶等过程进行了详细的Fe和K同位素模拟，结果显示岩浆过程能够解释Fe同位素特征，但远不足以解释偏重的K同位素组成（图3）。因此，需有额外的机制来解释K同位素偏重现象，或认为其反映了月球背面K同位素固有的不均一性。
图3 岩浆洋分异过程和岩浆过程中的Fe和K同位素变化模拟计算
（3）SPA形成时的大撞击造成了挥发分的丢失。前人通过对阿波罗样品和对来源不同的大量玄武岩和镁质岩套陨石进行分析，发现它们具有相似的K同位素组成，据此提出形成月球的大撞击导致了全月尺度的挥发分丢失，并形成了一致的同位素特征。因此，我们认为嫦娥六号玄武岩重K同位素特征并非源于月幔不均一性，而很可能与SPA撞击事件有关。利用Fe-K同位素体系，研究团队排除了小行星直接加入导致同位素偏重的可能性。最后提出，SPA撞击很可能引起月幔物质挥发，模拟计算显示约1%的K丢失即可解释玄武岩的重K同位素组成（图4）。
图4 撞击过程中的K的挥发及同位素分馏模拟
综上所述，该研究通过对嫦娥六号采集的月球背面玄武岩样本开展高精度同位素分析，首次揭示了早期巨型撞击事件对月球深部月幔的改造作用。结果表明，月球背面SPA深部月幔很可能因此丢失了一定量的挥发分，这可能导致月幔变得更难熔，从而抑制火山活动的规模与频率，为理解月球正背面不对称的演化历史提供了关键线索。同时，该成果也为认识撞击过程在地球及其他类地行星形成与演化中的作用提供了新思路。
研究成果2026年1月13日在线发表于国际权威学术期刊PNAS，并被选为当期亮点论文进行报道（田恒次*，张驰，李文君，薛丁帅，王静，杨蔚，刘艳红，林杨挺，李献华，吴福元. Isotopic evidence for volatile loss driven by South Pole-Aitken basin-forming impact [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026. DOI: 10.1073/pnas.2515408123. 研究得到国家自然科学基金、中科院地质地球所重点部署和中国科学院青促会项目共同资助。
