近日，中科院紫金山天文臺天體化學(xué)團(tuán)隊聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國佛羅里達(dá)大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）和中科院南京地質(zhì)古生物研究所，對我國返回的嫦娥五號月球樣品開展了詳細(xì)的巖相學(xué)、礦物學(xué)、微量元素地球化學(xué)和Fe-Mg-Sr同位素分析，揭示了嫦娥五號樣品月幔源區(qū)特性和月球年輕火山活動奧秘。研究結(jié)果發(fā)表在國際天文期刊The Astrophysical Journal Letters上。

【資料圖】

月球是人類深空探測的“前哨站”。2020年12月，我國首次地外采樣返回任務(wù)“嫦娥五號”成功返回了月球正面風(fēng)暴洋北部的樣品1731克。基于嫦娥五號樣品研究其月幔源區(qū)性質(zhì)對于理解月球年輕火山活動的驅(qū)動機(jī)制至關(guān)重要。

圖1 兩個玄武巖巖屑（CE-5-01,02）中輝石的礦物化學(xué)成分分布（a）、全巖鎂指數(shù)和鈦含量（b）以及稀土元素含量投圖（c和d）。HT：高鈦玄武巖；LT：低鈦；VLT：極低鈦。

研究團(tuán)隊對兩個玄武巖巖屑樣品（編號CE5C0800YJYX038）開展了三維CT掃描，確認(rèn)巖屑樣品是玄武巖巖屑，不是撞擊熔體。選取部分樣品制成光片，開展詳細(xì)的巖相學(xué)和礦物學(xué)原位分析，剩余樣品溶解開展主微量元素和Fe-Mg-Sr同位素分析。結(jié)果表明，組成兩個玄武巖巖屑的輝石、橄欖石和長石等的化學(xué)成分均與前人發(fā)表結(jié)果一致（圖1），證實代表嫦娥五號著陸區(qū)本地的玄武巖巖屑。全巖主量元素和微量元素表明，嫦娥五號樣品是迄今為止最演化的玄武巖，具有高鐵、高釷、居中鈦含量的特點（圖1），其全巖鎂同位素和阿波羅低鈦玄武巖一致，全巖鐵同位素介于阿波羅低鈦玄武巖和高鈦玄武巖之間（圖2）。

圖2 兩個玄武巖巖屑的Fe-Mg同位素特征

圖3 嫦娥五號玄武巖的初始巖漿推算

基于已獲取的主微量元素及Fe-Mg同位素數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊估算了嫦娥五號玄武巖的母巖漿成分（圖3），并對月球巖漿洋冷凝結(jié)晶過程進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明，巖漿洋早期結(jié)晶的富橄欖石堆晶具有輕Fe、重Mg的同位素特征，晚期富輝石堆晶具有重Fe、輕Mg的同位素特征。嫦娥五號月球樣品的Fe-Mg同位素組成指示了其月幔源區(qū)可能為兩種堆晶體的混合，晚期結(jié)晶的富單斜輝石堆晶比例可能為20–30%（圖4）。富集單斜輝石堆晶可以顯著降低月幔的熔點，可能對月球仍能產(chǎn)生年輕火山活動起到關(guān)鍵作用。

圖4 月球巖漿洋早期和晚期堆晶體的Fe-Mg同位素混合計算

（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）