月壳存在的大规模磁化现象指示月球曾经存在过月球发电机磁场，而现今月球已经不存在全球性磁场，表明月球的发电机作用已停止。月球磁场发电机的演化与月核的生长和输运性质(如电导率、热导率)密切相关，因此基于月核的热导率构建月核的热演化和发电机模型对理解月球热化学、内部动力学、月球磁场演化等具有重要意义。
基于阿波罗月震数据和现今轨道观测数据分析研究，月球可能存在一个固态金属内核和液态金属外核。月核中可能存在的轻元素（如S、P等）的丰度会改变固态内核的形成方式，进而影响月核的热演化及磁场演化。
近期，中国科学院地球化学研究所翟双猛课题组利用多面顶大腔体压机在高温高压条件下测量了两种Fe-S-P合金的电阻率(图1)。结合本课题组之前对月核中硫和磷含量的限定，通过Wiedemann-Franz定律计算出现今月核的热导率约为23.40 W/m/K。基于此结果建立了Fe-S-P月核的生长模型、热通量模型和发电机模型。
图1 不同铁合金的电阻率测量结果
月核的生长模型表明，月球的固态内核在43.5亿年前开始以“自下而上”(bottom-up)的方式结晶生长，由于硫和磷在固相铁中极低的溶解度，液态外核中硫和磷的丰度逐渐升高，在约35亿年前硫和磷的总量达到临界值3.5 wt%，月核的生长机制转变成“从上而下”(top-down)。
月核的热通量模型表明月球核幔边界处绝热传导的热通量qad为2.06-2.34 mW/m2, 绝热传导的热流Qad为2.82-3.20 GW。结合月核热演化模型，热驱动的月核发电机只能维持到35.1-37.8亿年前。现今月球核幔边界处的热流值QTCMB为1.3 GW，小于液态外核顶部的绝热传导热流Qad，佐证了热驱动的月核发电机不可能维持至今。
浮力通量Fb、欧姆耗散熵EΦ、Reynolds数值等约束条件都支持Fe-S-P月核发电机在月球高场强时期能正常运行，但是Fe-S-P月核发电机仅能在月表产生0.1-0.4 μT的磁场。因此，可能存在其他的机制（如底部岩浆洋、陨石撞击、月球自转改变、月幔翻转等）驱动发电机产生高强度(120 μT)的月磁场。随着固态内核生长机制的转变，熵耗散EΦ和Elsasser数值结果表明月球磁场不稳定，月核发电机无法稳定运行；底部岩浆洋也在35亿年前固化。多种生磁机制的消失可能是月球磁场骤降的主要原因（图2）。
图2 基于月球样品记录的磁场古强度以及Reynolds、Elsasser数值和欧姆耗散熵EΦ等约束条件推断的月球发电机的启停
上述研究成果发表在地球科学领域国际重要学术期刊Geophysical Research Letters上，第一作者是中国科学院地球化学研究所的翟宽博士，通讯作者是中国科学院地球化学研究所的尹远博士和翟双猛研究员。该成果得到了国家自然科学基金(42102281、42120104005、41873073)、中科院战略性先导科技专项(B类) (XDB 41000000)、贵州省科技基金 (GZ2021SIG、ZK[2024]087、GCC[2023]060)等资助。
论文信息：Zhai, K., Yin, Y*., Zhai, S*. (2024). Thermal and dynamo evolution of the lunar core based on the transport properties of Fe-S-P alloys. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL108131.
链接：https://doi.org/10.1029/2024GL108131
高压室 翟双猛课题组/供稿