研究人员检查了三种类型月岩的化学成分：斜长岩、镁质岩套岩石和月海玄武岩。他们将来自月球背面的这些样本与阿波罗和嫦娥五号任务期间从月球正面采集的物质进行了比较。他们的发现表明，月球在潮汐锁定地球后，其古老的月球岩浆洋（LMO）内部的大规模热驱动环流导致了月球两面的显著差异。
为什么月球的两面如此不同
面向地球的月球一面与永远背对我们的半球看起来截然不同。月球正面拥有广阔的暗色火山玄武岩平原，以及相对高浓度的钾、稀土元素和磷（KREEP）。相比之下，月球背面则以古老、布满撞击坑的高地为主，其地壳要厚得多，且火山平原相对较少。
几十年来，科学家们一直在争论这种不对称结构的起源。提出的解释包括月球原始岩浆洋环流方式的差异、一次大规模碰撞、引力潮汐引起的加热，以及月球地壳的不均匀发育。然而，这些观点都没有获得普遍接受。
另一个重要问题一直悬而未决。尽管两个半球之间的对比在表面和地壳内部JianCe可见，但科学家们一直不确定类似的差异是否延伸至月球深部地幔。
嫦娥六号样本揭示惊人相似性
2024年，嫦娥六号成为首个从月球背面返回样本的任务，为调查这一谜团提供了重大机遇。科学家们首次能够直接比较从两个月球半球采集的岩石。
分析揭示了月球截然不同的表面之下存在一个重要的相似之处。嫦娥六号采集的玄武岩显示出的化学特征表明，它们源自亏损的地幔物质，与阿波罗宇航员带回的低钛玄武岩非常相似。这表明，随着月球岩浆洋结晶而积累的矿物——地幔堆积物，在两个半球的成分上没有实质性差异。
研究人员在镁质岩套岩石中发现了支持这一结论的进一步证据。这些岩石是在部分积累的地幔物质发生部分熔融时，通过地壳和地幔之间的相互作用形成的。它们的镁值（Mg#）为其源区地幔物质的成分提供了重要指标。
由于嫦娥六号和阿波罗的镁质岩套样本具有相似的Mg#值，研究人员得出结论，月球两面下方的地幔堆积物具有广泛相似的化学特征。换言之，从月球原始岩浆洋结晶出来的物质在正面和背面之间没有显著的成分分异。
月球地壳讲述着不同的故事
虽然地幔的成分看起来相对均匀，但月球地壳却显示出更为明显的对比。
嫦娥六号带回的斜长岩样本比同类阿波罗样本具有更高的Mg#峰值，表明月球背面的地壳含有更多富镁物质。这与此前通过遥感仪器研究月球所作的观测相吻合。
研究人员还在镁质岩套岩石中发现了重要的化学差异。嫦娥六号的样本含有极低浓度的稀土元素，且其钍与钐的比值（表示为Th/Sm）低于阿波罗的同类样本。
这些差异暗示了两种可能的解释。要么是月球背面的镁质岩套岩浆形成时没有大量富KREEP物质的参与，要么是包含这些元素的层位在月球各处发育不均，导致两个半球具有不同的化学成分。
地球引力可能如何塑造了月球
综合这些发现，研究人员建立了一个模型，可以解释月球是如何获得其截然不同的两张面孔的。
根据他们提出的情景，月球早期的岩浆洋最初以相对均匀的方式冷却和结晶。在月球被地球潮汐锁定之前，这一过程产生了最早的地幔堆积物和斜长岩地壳。
一旦月球进入保持同一半球面向地球的轨道，情况就发生了变化。那时，地球和月球之间的距离要近得多，引力潮汐力在月球正面产生的热量多于背面。
这种不均匀加热在月球熔融内部产生了温差，引发了大规模水平环流。热的岩浆从正面流向背面，携带着先前形成的富镁斜长岩物质。
随着时间的推移，这种运动在背面积累了更多的地壳物质，这有助于解释为什么该半球发育了更厚且镁含量更高的地壳。
与此同时，剩余的熔融物质优先流向正面。结果，背面仅发育了相对较薄的富KREEP层和含钛铁矿堆积物（IBC），而更多的这些晚期物质则集中在正面。
这种热驱动岩浆环流模型为月球为何具有化学成分相似的地幔但地壳成分却如此截然不同提供了可能的解释。通过将新分析的嫦娥六号样本与月球早期的热历史联系起来，这些发现为塑造地球这位最近天体邻居的过程提供了新见解。