氧逸度（fO2）是控制行星热演化和宜居性的主要因素之一。地球的地幔和火星的火幔形成以来都经历了不同程度的氧化，深刻影响了其岩浆去气时的挥发份种类和热演化过程。然而，这种氧化过程是否是所有类地行星的普遍现象，尚不清楚。月球作为地球唯一的天然卫星，也是研究这一问题的重要对象，但是，月幔自形成以来的氧化还原演化历史仍然未知，主要是因为所研究的月球玄武岩样品主要形成于40~30亿年之间，缺乏年轻月球玄武岩样品。
嫦娥五号玄武岩形成于20亿年前，为理解月幔氧逸度演化提供了关键样品。基于此，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室博士后张慧娟与其导师杨蔚研究员及合作者，利用橄榄石和尖晶石V氧逸度计，对27个嫦娥五号玄武岩岩屑进行了研究。结果表明，嫦娥五号玄武岩的平均氧逸度为ΔIW–0.84 ± 0.65，与年龄在36~30亿年之间阿波罗玄武岩和火山玻璃的氧逸度十分相似。氧逸度在时间上的一致性说明月幔一直维持在还原状态，不像地球和火星经历了明显的氧化（图1，图2）。
图1 CE-5玄武岩揭示的月幔氧逸度（a）与地球和火星的对比（b）
长期持续还原的月幔表明导致地幔和火幔氧化的过程要么在月球上没有发生，要么对月球的影响可以忽略不计（图2）。可能的过程包括：
（1）铁的歧化反应，深部地幔中的布里奇曼石（bridgmanite）发生Fe2+→Fe3+ + Fe0的歧化反应，单质铁沉入地核，导致地幔的氧化，但是，月幔最大压力不超过5 Gpa，无法形成布里奇曼石，使得铁歧化反应无法发生；
（2）后期增生物质，纵使假设所有的增生物质均为氧化物质，月球的增生比例（0.02%）也远低于火星（0.31%）和地球（0.33%），不足以氧化月幔；
（3）氢气去气，由于月幔的初始水含量就可能显著低于地幔和火幔，并没有发生过大规模的去气，因而也不足以氧化月幔。
长期还原的月幔对月球演化具有至关重要的影响。首先，它促进H去气，抑制S去气，这种在还原条件下的脱气途径可以很好地解释阿波罗和CE-5玄武岩样品中低的S脱气程度（19%~40%）和高的H脱气程度（98%~99%）；其次，由于越还原，越难熔，月幔的长期还原导致其长期保持较高的熔点，进而抑制内部岩浆的产生和月幔的对流，使得热量不容易耗散，延缓了月球的冷却，这一研究为月球热演化研究提供了一个新视角。
图2 月幔氧逸度与地幔和火幔氧逸度随时间变化的对比（a）及其形成机制的示意图（b）
研究成果发表于国际学术期刊Nature Communications（张慧娟,杨蔚*, 张棣, 田恒次, 阮仁浩，胡森, 陈意,惠鹤九,林彦蒿, Ross N. Mitchell,张迪,吴石头,贾丽辉,谷立新,林杨挺,李献华,吴福元. Long-term reduced lunar mantle revealed by Chang’e-5 basalt [J].Nature Communications, 2024,15: 8328. DOI: 10.1038/s41467-024-52710-x.）。
点击左下角“阅读原文”跳转至原文网页。
编辑：刘强
