南极撞击挖穿月球岩浆海

南极-艾特肯（SPA）盆地形成的撞击发生在月球演化的关键阶段。当时月球正遭受密集的撞击轰炸，同时可能仍处于岩浆海洋结晶的最后阶段。月球由撞击产生的星子盘吸积形成后，经历了全球性的岩浆海洋。这种岩浆海洋的结晶会产生具有反向密度剖面的堆积地幔，最终形成致密的、富含钛的、含钛铁矿（FeTiO₃）的堆积体，以及一种最终液体，其中强烈富集钾、稀土元素和磷（KREEP）等不相容元素，包括钍（Th）元素。尽管具体细节仍不确定，但岩浆海洋结晶以及相关堆积地幔翻转的最终结果是，大约在4.34–4.37 Ga，含钛铁矿的堆积体和KREEP都集中在月球近侧的风暴洋克里普岩区（PKT）。

SPA盆地的形状为类椭圆形，这是巨型撞击盆地的典型特征。盆地长轴大致呈南北走向，以及盆地内地壳亏损体积与远侧高地地壳过剩体积的当量关系，曾使人认为北向撞击的溅射物可能导致了月球近侧和远侧在地形和地壳厚度上的不对称。然而，盆地长轴方向与远侧高地地壳峰值增厚方向倾斜，预测的溅射物分布与远侧地壳过剩不匹配，且在其他类似大小的巨型盆地（如火星的 Hellas 和 Utopia 盆地、冥王星的 Sputnik 盆地）周围未观察到类似规模的地壳厚度或地形的下靶方过剩。因此，月球地形和地壳厚度的不对称性可能主要由其他过程导致。

对撞击体运动方向的另一约束是形成的盆地形状。虽然大多数巨型撞击盆地由于行星曲率对盆地形成的影响而被拉长，但这些拉长的盆地都表现出明显的锥度，这表明锥度是盆地结构和形成的基本特征。对于那些有独立证据表明撞击体运动方向的盆地，这种锥度位于下靶方方向。火星的 Hellas 盆地由东向轨迹的撞击形成，其地形和重力在该方向上呈锥度；月球的 Crisium 盆地在地形和重力上向东锥度，与撞击的东向轨迹一致；冥王星的 Sputnik 盆地向南锥度，与南向撞击轨迹匹配。SPA 盆地在重力和地形上都向南锥度，支持南向撞击轨迹，而北向锥度和北向撞击体运动方向在 2σ 水平上可被排除。

具有确认轨迹方向的盆地在上靶方端还表现出更陡峭的地壳厚度和地形过渡，在下靶方端则过渡更平缓，这与实验室实验和数值模型的预测一致。Hellas 盆地的地壳厚度梯度在上靶方和下靶方分别为 0.084 和 0.034 km·km⁻¹，地形梯度分别为 0.024 和 0.009 km·km⁻¹。SPA 盆地北端在 crustal thickness（0.16 vs 0.016 km·km⁻¹）和地形（0.018 vs 0.003 km·km⁻¹）上的过渡比南端更陡峭，证实了南向撞击轨迹。

SPA 盆地形成的撞击深入地壳之下，因此盆地溅射物的成分提供了研究撞击时月球三维结构的手段。盆地内部高浓度的 Th 和 Ti 可能反映了坍塌 rim 的撞击溅射物与源自深度达 200–400 km（包括富钛堆积体）的分异撞击熔体的混合。本文重点研究地形 rim 之外的物质，认为其最能代表不受中央熔体层污染的溅射物，这些溅射物应集中在下靶方和横靶方方向。

在盆地北部，若为北向轨迹，预计会有厚达数公里的富钍溅射物覆盖层延伸至距 rim 近 1000 km 处，但除了与月球高地其他地方类似的孤立富钍点外，Ti 和 Th 均无过剩。相比之下，盆地西部和南部有一个广泛的 Th 浓度增加区域，对于南向轨迹，溅射物覆盖层的西半部应位于此处。SPA 盆地西南溅射物的 Th 浓度为 1.79±0.03 ppm，远高于远侧高地的 0.95±0.02 ppm 和盆地东部对应区域的 1.17±0.03 ppm，但低于盆地中心的 2.78±0.05 ppm。FeO 也有类似的富集模式，与钍、FeO 和 mafic 矿物丰度随距盆地向南距离增加而减少的总体趋势一致。

从 Ti 和 Th 丰度来看，西部溅射物不能简单由盆地底部和远侧高地物质混合而成。这些观测结果需要至少三种不同储层的混合来解释表面成分：贫钍、贫钛的高地地壳物质，主导盆地底部的富钍、富钛储层，以及西部溅射物中取样的富钍但贫钛储层。东部溅射物可能主要由挖掘出的地壳物质和地幔堆积体组成，而西部溅射物必须取样了一个单独的富铁、富钍但钛不富集的储层，最可能的候选者是晚期岩浆海洋。

月球岩浆海洋的 Ti 含量在>90%凝固度（PCS）时钛铁矿或钛尖晶石开始结晶前逐渐增加，之后在更演化的阶段降低。相比之下，Th 的浓度在整个岩浆海洋结晶过程中持续增加，因为它被有效地排除在所有结晶的地幔和地壳矿物组合之外。因此，最新阶段的岩浆海洋液体相对于 Ti 强烈富集 Th。

从岩浆海洋演化模型来看，对于厚度可变的地壳漂浮在静水固体内部上方的岩浆海洋，残余岩浆海洋在 crust 较薄的地方自然更厚。随着岩浆海洋结晶的继续，地壳较厚的区域会“接地”到下面的固体堆积地幔，导致岩浆海洋在 crust 最厚的地方逐渐消失，而在 crust 最薄的地方液体不断浓缩。虽然地壳不对称形成的机制仍不确定，但这种不对称的一个自然结果是，只要不对称在岩浆海洋结晶的晚期阶段形成，最终的岩浆海洋液体就会驻留在近侧 PKT 的薄地壳之下。

模型表明，在 98.8% PCS（范围 98.4–99.3%）时，不连续的岩浆海洋会延伸至整个近侧和远侧部分区域，在如今 SPA 盆地西南半部下方的典型厚度为 5 km，盆地底部和相邻溅射物覆盖层中都发现了高 Th 浓度，而盆地东北半部下方则没有残余岩浆。此时的撞击只会在西南方向挖掘出富含 KREEP 的晚期岩浆海洋液体，产生观测到的不对称富钍溅射物覆盖层。

SPA 盆地形成的撞击和后来近侧 Imbrium 盆地形成的撞击对 KREEP 富集储层的挖掘，为约束岩浆海洋在空间、时间和成分上的演化提供了两个数据点。基于表面丰度，SPA 盆地挖掘的残余岩浆海洋中的 Th 浓度为 1.8–12.8 ppm。后来，在近侧 PKT 形成后，Imbrium 溅射物中的 Th 浓度表明最终凝固的 KREEP 储层中的浓度为 13–75 ppm。

这项研究对理解 SPA 盆地、月球地壳和岩浆海洋的早期演化以及太阳系的撞击历史具有重要意义。结果表明，SPA 盆地是由南向轨迹的撞击形成的，当时月球仍有部分不连续的岩浆海洋。Ti 富集和 Th 富集的盆地内部以及 Th 富集的溅射物的成分表明，即使在岩浆海洋结晶的这个晚期阶段，残余的富含 KREEP 的岩浆海洋液体与富含 Ti 的堆积体在垂直方向上是分离的，而不是单一的富 Ti 和富 KREEP 储层。

模型预测岩浆海洋结晶需要约 50–200 Myr，最后 1% 由于成分演化导致结晶温度降低，需要约 10–75 Myr。因此，岩浆海洋结晶的最新阶段最有可能发生 SPA 盆地形成的撞击。这个时间支持 SPA 盆地形成的撞击可能发生在岩浆海洋结晶完成和最终 KREEP 储层形成（4.34–4.37 Ga）前数千万年。这个年龄约束与基于样品和撞击坑保留模型的盆地年龄（4.31–4.39 Ga）一致。

对盆地的这种新理解对即将进行的月球南极机器人和人类探测具有重要意义，其主要目标之一是对 SPA 盆地的溅射物进行取样。提议的南极阿尔忒弥斯着陆点现在被认为位于盆地的下靶方 rim 和富钍撞击溅射物上。因此，阿尔忒弥斯取样的岩石不仅可以约束盆地的年龄和月球撞击历史，还可以约束晚期岩浆海洋的成分及其凝固时间。