Science：地质地球所 | 1.2亿年前的月球火山活动

学术 2024-09-12 00:00 湖北

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来源：地学之家

月球火山活动的持续时间对构建月球热演化模型有重要的意义，一直备受关注。美国阿波罗（Apollo）计划和前苏联月球号（Luna）返回的9次月球样品以及收集到的所有陨石样品的年龄基本都大于30亿年，认为月球的火山活动早已结束。嫦娥五号玄武岩样品的精确定年结果为20.3 ± 0.04亿年，证明了20亿年前月球上仍然存在着较大规模的岩浆活动，该年龄是否是月球火山活动的终点呢？

月球的火山活动产物除了较大规模岩浆活动形成的岩石外，还有较小规模的火山喷泉带来的火山碎屑，其中有火山玻璃珠（图1），对这样的玻璃珠进行定年同样可以追溯月球岩浆活动历史。然而，月球上普遍存在由于陨石撞击导致月表材料熔融、熔体溅射分离并快速冷却形成的冲击玻璃珠。从大量玻璃珠中识别出只存在可能性的火山璃珠是一个巨大的挑战。

图1 火山玻璃珠和冲击玻璃珠的形成模式图

最年轻的嫦娥五号月壤样品是寻找更年轻的火山玻璃珠的理想对象，中国科学院地质与地球物理研究所李秋立研究员以此为研究目标，申请并获批了约3克嫦娥五号月壤样品，博士生王碧雯、博士后张谦及何雨旸副研究员等合作者，对从其中挑选出的约3000颗玻璃珠进行了详细研究。根据Apollo样品中玻璃珠的研究经验，识别玻璃珠成因的标准包括结构、单颗玻璃珠化学组成（MgO：10 - 20 wt%；CaO：6 - 11 wt%；Al₂O₃：4 - 12 wt%，MgO/Al₂O₃ > 1.20 且CaO/Al₂O₃ > 0.75）以及化学组成的相关性（MgO vs Ni），然而以上每种标准都是判断玻璃珠火山成因的充分不必要条件。研究团队首先根据玻璃珠的BSE图像选择了约800颗较为均匀的玻璃珠进行电子探针成分分析，结合主量元素化学组成的判别标准，筛选出13颗疑似火山玻璃珠。由岩浆演化而来的组分其Ni含量与MgO含量呈现正相关趋势，而月壤中存在高Ni含量陨石的残留组分，这使得冲击玻璃通常具有高Ni含量特点。对这13颗玻璃珠进行微量元素分析后，根据Ni含量与MgO含量的相关趋势，进一步筛选出6颗潜在的火山玻璃珠。

元素的同位素特征带有样品的“指纹”信息，可以记录源区信息和改造过程。在撞击和火山过程中均存在挥发性元素的丢失（去气），这两个过程截然不同的去气环境会导致挥发性元素同位素不同方向的分馏。前人对火山玻璃珠的研究表明，火山玻璃珠的S同位素较轻并且S同位素值与S含量呈现正相关关系。然而，目前没有关于冲击玻璃珠S同位素的相关研究。已知月球火成岩及陨硫铁的δ³⁴S 均在0 ‰附近（图2），以此为原材料被撞击形成的月球风化壳则具有显著偏正的硫同位素组成，说明这些岩石在经历撞击风化过程中³²S丢失的更多。本研究对嫦娥五号冲击玻璃珠的S同位素进行测量，发现其S同位素偏重且和S含量呈负相关的趋势，这与理论预测相符（图3）。因此，S同位素特征可以作为区分玻璃珠成因的关键证据。对筛选出的6颗潜在火山玻璃珠进行S同位素分析，发现只有3颗其δ³⁴S 是负值，在-12.3 ‰ 到 -9.5 ‰之间。结合结构-成分-主量-微量-同位素多方面判据，可以判断这三颗为火山玻璃（图3）。

图2 月球样品中的硫同位素分馏特征

图3 CE-5玻璃珠和Apollo火山玻璃珠的S含量及同位素特征

这三颗火山玻璃的U-Pb同位素体系定年结果为123 ± 15 Ma（图4）。结合以下特征：（1）三颗玻璃珠相对完整，仅第三颗是发生了脆性断裂，没有被显著冲击改造的痕迹；（2）三颗玻璃珠的Rb含量显著高于其他冲击玻璃珠，没有发生Rb的显著丢失，指示类似挥发性的Pb也没有受到显著影响；（3）三颗玻璃珠具有硫同位素显著偏负的特征，因为撞击导致丢失的过程会使得硫同位素向偏重的方向分馏，排除其受冲击改造的影响。因此，测量的年龄就是三颗火山玻璃的形成时间，代表了月球上存在这一期的火山作用。

图4 三颗CE-5火山玻璃珠的BSE图像及U-Pb定年结果

这一年轻火山作用的确认，将月球的火山活动时间又在嫦娥五号玄武岩年龄的基础上延长了近19亿年，远远超出了以往的经验推断，这对以往的月球热演化模式提出了更大的挑战。三颗火山玻璃的化学组成可以为我们提供一定的源区特征信息，它们显著富集Na₂O, K₂O, P₂O₅以及稀土等不相容元素，表明其源区存在较高比例的KREEP（钾+稀土+磷）组分。源区富集的KREEP组分可以通过放射性元素衰变生热，导致月幔局部热异常，引发物质的部分熔融产生岩浆并喷出地表。这些KREEP组分可能来自岩浆洋演化晚期的残余物（urKREEP），也可能来自类似嫦娥五号玄武岩这种经历高程度演化而富集不相容元素但滞留在月幔的岩浆。因此，虽然在月球上没有观测到较大规模晚期岩浆活动，但仍存在局部升温引起的小规模火山喷发。

论文信息

研究成果发表于国际顶级学术期刊Science（王碧雯，张谦，陈意，赵文昊，刘宇，唐国强，马红霞，苏斌，惠鹤九，John W. Delano，吴福元，李献华，何雨旸*，李秋立*. Returned samples indicate volcanism on the Moon 120 million years ago[J]. Science, 2024, 385(6713):1077-1080. DOI：10.1126/science.adk6635.）。成果得到国家自然科学基金（42225301，42241105）、中国科学院先导B项目（XDB0710000）、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202101，IGGCAS-202204）和博士后创新人才支持计划（BX20220294）共同资助。

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