月球巖漿洋模型認(rèn)為巖漿洋晚期會(huì)在月幔頂部形成富含鈦鐵礦的輝石巖堆晶（IBC）以及富集放射性元素的克里普組分（KREEP）。而IBC堆晶由于密度較大會(huì)沉入深部引發(fā)月幔翻轉(zhuǎn)。一些研究認(rèn)為是下沉到深部的IBC的活動(dòng)導(dǎo)致了嫦娥五號(hào)玄武巖（CE5）的形成其形成。然而，這一觀點(diǎn)會(huì)面臨兩個(gè)問(wèn)題：1）IBC的沉降發(fā)生在巖漿洋結(jié)晶的晚期（~44-43億年）；2）之前的研究認(rèn)為CE5玄武巖是由低鈦玄武巖演化而來(lái)，而后者源區(qū)不應(yīng)該有IBC。因此， CE5玄武巖的成因仍有待探索。

在中國(guó)科學(xué)院廣州地化所徐義剛院士的指導(dǎo)下，汪程遠(yuǎn)副研究員、張樂(lè)高級(jí)工程師以及月球科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的其他成員一道，針對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)了研究。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)CE5玄武巖中的輝石進(jìn)行微區(qū)分析，結(jié)合微量元素模擬以及相平衡計(jì)算等綜合手段，提出月球年輕火山的源區(qū)是位于其淺部（< 100 km）的IBC堆晶。這一發(fā)現(xiàn)革新了學(xué)界關(guān)于月幔翻轉(zhuǎn)過(guò)程以及月球內(nèi)部熱演化的認(rèn)識(shí)。

圖1. （a）CE5及其他月球玄武巖微量元素組成。（b）月球玄武巖的Ti異常和Ta異常。

研究團(tuán)隊(duì)首先注意到， CE5玄武巖具有顯著的高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE）的負(fù)異常（圖1），表明其或者經(jīng)歷了鈦鐵礦的分離結(jié)晶，或者源區(qū)含有殘余鈦鐵礦，或者需要KREEP混染。然而，同位素不支持顯著KREEP混染，且CE5玄武巖中的輝石成分演化和低鈦玄武巖完全不同（圖2）。

圖2. （a）CE5玄武巖中的輝石端元組成。（b）月球玄武巖中輝石的Mg#-TiO₂關(guān)系圖。（c）CE5和低鈦玄武巖中輝石的Ti異常-TiO₂關(guān)系圖。

為進(jìn)一步制約分離結(jié)晶過(guò)程的影響，研究團(tuán)隊(duì)利用輝石成分反演了CE5玄武巖演化過(guò)程中TiO₂ 含量的變化（圖3）。結(jié)果顯示，初始巖漿沒(méi)有經(jīng)歷鈦鐵礦結(jié)晶分異，其HFSE可以反映原始熔體的信息。

圖3. CE5及其他月球玄武巖的演化路徑對(duì)比。

因此，CE5玄武巖源區(qū)很可能含有鈦鐵礦。研究團(tuán)隊(duì)利用非批式熔融模型進(jìn)行了模擬（圖4）。結(jié)果顯示，CE5玄武巖源區(qū)需要> 10%的鈦鐵礦，大部分為輝石巖。

圖4. IBC月幔的非批式熔融過(guò)程中的Zr/Hf、Zr/Nb和Ta/Nd的變化模擬。

因此，CE5玄武巖應(yīng)是一種新型月球火山熔巖，其源區(qū)和阿波羅玄武巖完全不同。利用相平衡模擬計(jì)算其形成溫壓的結(jié)果顯示，形成溫度約為~1100至1140 ℃，壓力約為3到5 kbar（圖5）。表明CE5玄武巖起源深度較淺（~ 100 km）。

圖5. （a）CE5及其他月球玄武巖的形成溫度和壓力條件。（b）CE5及其他月球玄武巖的形成深度隨時(shí)間的變化。（c）IBC源區(qū)的溫度-成分相平衡計(jì)算。（d）遙感觀測(cè)的月球玄武巖TiO₂含量隨時(shí)間的變化。

遙感數(shù)據(jù)顯示，年輕月球火山的TiO₂含量是逐漸升高的（圖5），支持年輕月球火山源于IBC的可能。由于巖漿洋模型預(yù)測(cè)的IBC形成深度也正是60到100 km，CE5玄武巖的源區(qū)應(yīng)是那些未發(fā)生沉降的IBC。這表明，月幔翻轉(zhuǎn)其實(shí)是不完全的。此外，月球在以CE5玄武巖為代表的愛(ài)拉托遜紀(jì)時(shí)代的熱狀態(tài)和雨海紀(jì)時(shí)代也并不相同。此時(shí)月球火山的熱源主要來(lái)自淺部，或是IBC和月殼之間的KREEP，或是撞擊過(guò)程。令人困惑的是，這些玄武巖并未顯示顯著的KREEP信號(hào)，而同時(shí)期的大型撞擊坑也并未觀測(cè)到，因此年輕月球火山的熱源問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究。

該研究主要受中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)基金和中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署科研專項(xiàng)的資助。研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威地學(xué)期刊《Earth and Planetary Science Letters》。

　　論文信息：Chengyuan Wang（汪程遠(yuǎn)），Yi-Gang Xu（徐義剛），Le Zhang（張樂(lè)），Zhiming Chen（陳志銘），Xiaoping Xia（夏小平），Mang Lin（林莽），F(xiàn)eng Guo （郭鋒） (2024). A shallow (<100 km) ilmenite-bearing pyroxenitic source for young lunar volcanism. Earth and Planetary Science Letters,639,118770. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118770