古人云“人生代代无穷已，江月年年望相似”，意指人们在地球上总是看到几乎相同的月貌。这是因为月球的自转周期与公转周期相等，使得它始终以同一面朝向地球。这种现象的成因与潮汐力引发的形变摩擦有关：早期月球自转较快，地球引力使其产生潮汐隆起，月幔内部的摩擦耗散了自转动能，最终自转周期与公转同步，实现了“潮汐锁定”。尽管月球的自转和公转被完全锁定，但由于其轨道为椭圆形，当月球处于近日点时，它的自转速度便追不上公转速度，因此我们能看到月球东部至东经98°的区域；相反，当月球处于远日点时，自转速度比公转速度快，因此我们又能看到月球西部至西经98°的区域，这种现象称为“天秤动”，使得在地球上最多可观测到月球总表面约59%的区域。

1959年10月4日，苏联发射了“月球3号”探测器，其主要任务是一窥月球背面。探测器在飞过月球背面时发回了29帧图像，覆盖了月球背面70%的区域。所合成的首张月背照片虽然有些模糊，但是人们看到了月球神秘的背面——布满了高地和山脉，大面积且平坦的“月海”仅有两处，显示出与月球正面完全不同的地形特征。直到1968年的“阿波罗8号”任务环绕月球时，人类才直接用肉眼看到了月球背面。月球背面地形起伏不平，密集分布撞击坑，平坦的月海面积远少于正面，从此引起“月球二分性”的相关探索。

从遥感技术看月球正背面的差异

在月背样品返回之前，人们主要通过遥感技术探索月球正背面的差异。结果显示，两者在地形地貌、矿物岩石组成、元素分布、月壳厚度乃至岩浆活动期限方面存在显著不同。

一是地形地貌的差异，这是最直观的差异特征。环绕器拍摄的高清图像显示，月球正面分布着广阔的暗色平原——月海玄武岩，覆盖面积约占正面的30%，我们熟知的“蟾宫”“玉兔”等月面意象均源于此；而月球背面的月海面积仅占1%——2%，绝大部分区域由崎岖的月陆（斜长岩高地）和密集的陨石坑构成，整体地貌更显“荒芜粗糙”。

二是矿物岩石的差异。光谱技术是识别矿物岩石组成的关键手段。不同矿物和岩石因化学成分与晶体结构差异，会对光（电磁波）产生独特的吸收、反射和发射特征，通过将观测光谱曲线与实验室中已知矿物的标准光谱库比对，从而识别出具体的矿物信息。由于月表土壤是多种矿物的混合物，还需通过复杂算法反演各矿物比例。检测结果表明，月球正面主导特征岩石是月海玄武岩，关键矿物为高钙辉石和橄榄石以及钛铁矿；月球背面主导岩石为高地斜长岩，关键矿物以斜长石为主，含少量的低钙辉石和橄榄石，背面岩石的反射率更高，因此看起来更明亮。

三是元素分布方面的差异。元素组成的探测主要通过测量特征γ射线和X射线实现。当元素受宇宙射线轰击或自身衰变时，会发射特征射线，通过检测射线的能量与强度，可反演元素种类及含量。从特征性元素分布来看，数据显示，月球正面的巨大风暴洋地体内，富集钾、钍、铀等放射性生热元素；而这些元素在月球背面的分布则明显“贫瘠”。

四是月壳厚度方面的差异。月壳厚度可通过月震仪或重力场数据获得，阿波罗任务部署的月震仪所记录月震波传播特性可以较为准确地计算出月壳厚度，虽然月震仪分布仅限于着陆区附近的几个特定点，但为全球性方法提供了关键校准点。重力场与地形测量法是全局性方法，基本原理是均衡补偿理论，当卫星飞过月壳质量过剩（如山脉）或质量亏损（如盆地）的区域时，其速度会被微小地改变。通过多颗卫星间的微波测距，可以绘制出月球重力场图，再经重力异常反演月壳密度分布来推算月壳厚度。结果显示，月球正面的平均月壳厚度为20——30公里，部分地区（如月海）可能更薄至小于10公里；而背面月壳平均厚度约50公里，部分区域（如南极——艾特肯盆地外围）甚至超过80公里。

五是岩浆活动方面的差异。岩浆活动的时代，可通过撞击坑统计定年分析获得。其基本原理是玄武岩喷出后会在盆地中形成一大片平原，通过统计其上积累的撞击坑大小和数量分布特征，结合返回样品获得的同位素年龄，从而获得一条对应的曲线。通过统计未采样区撞击坑分布特征就可以根据曲线方程给出年龄估计。研究表明，月球正面大规模的月海玄武岩喷发大约从39亿年前开始，最年轻的月海区域年龄可以年轻到12亿年，且存在几十处可能发生于1亿年左右小规模的火山活动；而月球背面的岩浆活动主要集中在大约35亿年前，最年轻月海玄武岩区域年龄大约为24亿年，显示月球背面的岩浆活动停止得更早。

从返回样品看月球正背面的差异

如果说遥感技术为“月球二分性”绘制了“全景图”，那么月球样品的实验室分析则为破解谜团提供了“微观密码”。

迄今为止，人类共完成10次月球采样返回任务，美国阿波罗计划6次、苏联月球号计划3次、bet36体育在线:嫦娥五号1次均采集自月球正面。2024年，bet36体育在线:嫦娥六号首次将月球背面样品带回地球，为解析“月球二分性”之谜提供了前所未有的直接素材，从样品表观特征、玄武岩年龄、源区富集程度、源区水含量、月幔物理化学等多个维度，揭示了正背面差异的深层成因。

从月壤表观特征来看，尽管嫦娥五号与嫦娥六号均着陆于玄武岩区域，但月壤特征差异明显。嫦娥五号月壤整体呈深褐色或黑褐色；而嫦娥六号月背样品颜色浅，斜长石含量显著增加、橄榄石含量大幅减少，表明该区域月壤明显受到非玄武质物质的影响，颗粒来源也更为复杂。结构方面，嫦娥六号月壤更为松散，孔隙度更高，体密度仅为0.98克/立方厘米，较嫦娥五号月壤低约20%。

从岩浆活动时间来看，来自正面的嫦娥五号玄武岩经过精确定年，发现于20亿年前喷发，相较阿波罗时代通过样品分析所认为的月球在30亿年前就停止了岩浆活动，将月球岩浆活动时限延续了10亿年，而其中发现的三颗火山玻璃证明1.2亿年前仍存在的小规模火山活动，再次将岩浆活动延续19亿年。反观嫦娥六号着陆区的玄武岩，通过撞击坑统计大概估计其年龄在24亿——31亿年之间，基本处于月背火山活动的最年轻端元，而经过精确的同位素定年分析，确定为28亿年前喷发，表明月背的岩浆活动至少持续到28亿年前。总体来看，月背的岩浆活动相较正面要更早结束。

从月幔特征来看，通过对玄武岩做进一步的元素含量和同位素分析来探究熔融源区的特征，研究发现，20亿年前喷发的嫦娥五号玄武岩，其月幔源区已亏损放射性生热元素；而28亿年前的嫦娥六号玄武岩源区，是目前已知亏损程度最严重的区域。此前科学界普遍认为，放射性元素衰变所造成的生热效应是月球维持内生岩浆活动的原因，这个发现推翻了之前的认识，迫使科学家寻找新的岩浆活动机制。

从源区水含量来看，对玄武岩样品的熔体包裹体进行水含量分析并推算月幔源区水含量特征，揭示出嫦娥五号玄武岩源区在20亿年前仅含有约5微克／克的水，结合阿波罗任务返回的更老样品反映的月幔水含量，显示月球内部的水在经历一个逐渐变干的过程。而嫦娥六号玄武岩的分析显示，月背月幔中水含量在28亿年前已经降低到约1微克／克，显著低于正面。这表明这两期玄武岩的喷发也不是由于源区富集水而熔点降低造成的。

从月幔物理化学特征来看，矿物成分分析与计算显示，嫦娥六号玄武岩样品的结晶温度相比月球正面的玄武岩样品低约100℃，且计算获得的月背的月幔潜能温度比正面低（正面约1500℃，背面约1400℃），显示月背内部更“冷”。通过对比月球正面和背面玄武岩所反映源区的氧逸度，发现月球背面月幔氧逸度明显低于月球正面，显示了一个超还原的特征。

综合来看，嫦娥六号样品揭示的月背月幔，呈现出“更干、更贫瘠、更冷、更还原”的整体特征，与正面形成鲜明对比。值得注意的是，嫦娥六号采样区位于月球背面的南极——艾特肯盆地——这是太阳系已知最大撞击结构之一，直径约2500公里，最大深度达13公里，最大落差16.1公里，面积相当于半个bet36体育在线:陆地。着陆区所在的阿波罗盆地月壳厚度仅约12公里，显著低于周边及月球平均值。通过样品分析，科学家首次精确限定南极——艾特肯盆地形成于42.5亿年前；理论模拟进一步显示，这一巨大撞击事件可能导致月背的放射性生热元素向正面迁移，也就可以解释为什么月球正面岩浆活动既多且持续时间长。因此，“月球二分性”成因除了月球早期岩浆洋不对称结晶之外，南极——艾特肯盆地遭受的重大撞击事件也值得未来投入更多的关注。不过，鉴于嫦娥六号所着陆南极——艾特肯盆地的特殊性，目前所观测的差异适用于盆地之下月幔应该是合理的，但是否可以推导到月背其他区域仍是一个不小的疑问。

嫦娥五号与嫦娥六号返回样品带来的新认知，为破解“月球二分性”之谜提供了重要线索。作为涉及地质、化学、物理等多学科的复杂科学问题，“月球二分性”的完整答案仍有待探索。随着更多月球探测任务的实施和样品分析的深入，科学家将持续揭开月球的神秘面纱，为理解太阳系早期演化历史提供更坚实的依据。

（作者系bet36体育投注:地质与地球物理研究所研究员）