近日，中科院紫金山天文臺天體化學團隊聯合中國科學技術大學、美國佛羅里達大學、中國地質大學（武漢）和中科院南京地質古生物研究所，對我國返回的嫦娥五號月球樣品開展了詳細的巖相學、礦物學、微量元素地球化學和Fe-Mg-Sr同位素分析，揭示了嫦娥五號樣品月幔源區特性和月球年輕火山活動奧秘。研究結果發表在國際天文期刊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“嫦娥五號”成功返回了月球正面風暴洋北部的樣品1731克。基于嫦娥五號樣品研究其月幔源區性質對于理解月球年輕火山活動的驅動機制至關重要。

圖1 兩個玄武巖巖屑（CE-5-01,02）中輝石的礦物化學成分分布（a）、全巖鎂指數和鈦含量（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。

研究團隊對兩個玄武巖巖屑樣品（編號CE5C0800YJYX038）開展了三維CT掃描，確認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，開展詳細的巖相學和礦物學原位分析，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成分均與前人發表結果一致（圖1），證實代表嫦娥五號著陸區本地的玄武巖巖屑。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同位素數據，研究團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晶過程進行了模擬計算。結果表明，巖漿洋早期結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可能為兩種堆晶體的混合，晚期結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，可能對月球仍能產生年輕火山活動起到關鍵作用。

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）