我校嫦娥五号样品研究取得首个重要成果——嫦娥五号月壤样品揭示玄武岩岩浆的分异演化过程

近日，我院何琦老师科研团队联合多所大学通过研究嫦娥五号月壤样品揭示了月球玄武岩岩浆的分异演化过程，这是我校嫦娥五号月壤样品研究的首个重要成果。该成果已于5月11日在国际行星学权威期刊《伊卡洛斯》(Icarus)上在线发表。

火山活动是月球最主要的内动力地质作用，也是月球热演化历史的见证者和记录者。 “嫦娥五号”于2020年12月1日着陆在月球风暴洋北部吕姆克山东北部年轻的月海火山岩平原，并成功采集了1731克月球样品。采样点远离以往“阿波罗”和“月球号”采样点，位于月面最年轻的火山单元之内，获得了全新的岩石样品类型，为开展月球科学研究提供了千载难逢的新机遇。

“嫦娥五号”样品的返回证实了月球火山活动至少延续到了距今20亿年左右。在火山岩成因方面，初步的矿物学、地球化学和同位素地球化学的结果表明年轻的“嫦娥五号”玄武岩区的月幔源区既无显著的克里普元素（KREEP, 富K、稀土Rare Earth Element和P等元素的岩石）的贡献，也几乎不含水，嫦娥五号玄武岩源区月幔发生部分熔融的热源仍不清楚，对于具体的岩石特征、结构和成因演化还缺乏详细的研究。

    何琦老师及其科研团队此次研究聚焦于表取月壤(CE5C0400）中玄武岩的碎屑颗粒（basaltic fragments，100–400μm，图1），通过多种分析手段研究其具体的岩相结构及原位地球化学特征，并结合MELTS模拟反演了玄武岩的演化过程。

图1 月壤样品中代表性玄武岩碎屑的背散射图像

玄武岩碎屑以次辉绿结构为主，无斑晶或少斑晶，低钛至中钛 (2.1-5.5 wt%)，低Mg# (19 - 47，平均为33)。此次研究还发现了一系列高度演化的玄武岩碎屑，其含丰富的铁橄榄石、后成合金，可见富Si的熔体与铁橄榄石和铁辉石共生的岩浆晚期硅酸盐液体不混溶结构（图2）。结合这些特征及实验岩石学结果，反映出玄武岩碎屑经历了高程度的分离结晶过程。

图2 月壤样品中代表岩浆晚期的硅酸盐液相不混溶结构（富Fe和富Si两相不混溶）

    对无斑细粒玄武岩碎屑中微量元素的原位LA-ICP-MS测试发现它们具有较高的稀土元素含量（图3）。这种相对高的稀土含量和配分模式，与部分年轻的月球陨石Northwest Africa (NWA) 032, NWA 4734, LaPaz Icefield (LAP) 02205相似，反映了这些玄武岩可能是月幔经历了低部分熔融程度的产物。此外，在月壤中还发现了玄武质撞击玻璃，其微量元素成分与玄武岩岩屑一致，暗示其可能是原地的玄武岩碎屑撞击熔融的产物。

图3 月壤玄武岩碎屑和玄武质撞击玻璃的稀土元素配分模式图

对玄武岩成分的MELTS模拟计算结果显示，高度演化的玄武岩碎屑是在还原环境中，低压（1bar到5kbar的压力）下发生分离结晶作用的产物。玄武岩岩屑中的高度演化的矿物组合和液相不混溶等结构，可能与嫦娥五号采样区地层单元Em4/P58熔体流的形成相关。按照物理火山学的模拟显示，该熔岩流在缓慢冷却和流淌过程中，初始厚度约20m，最终膨胀达到50m的厚度，在此过程中可能发生高度分离结晶和晚期液相不混溶现象。

以上工作是对月壤中玄武质碎屑的精细化研究，成果对于深入认识月球火山作用中熔体流的性质和岩浆活动过程有着重要意义，并对进一步了解月球热历史起到一定的推动作用。

此次研究样品来自汪在聪教授作为责任人申请的首批嫦娥五号月壤样品（CE5C0400，200 mg）。参与这项研究的成员包括中国地质大学（武汉）嫦娥五号月壤样品研究的全体人员，雅典农业大学Ioannis Baziotis助理教授，美国圣母大学Clive R. Neal教授和加州大学圣地亚哥分校James M.D. Day教授。

该研究得到了中国地质大学（武汉）遊雅堂 競馬和地质过程与矿产资源国家重点实验室的鼎力支持，受到国家科工委民用航天预研项目的资助。

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