嫦娥五號玄武岩様本揭開月球年輕火山成因之謎

月球形成於約45億年以前，它的質量只有地球的～1%，對於如此小的天體來講，理論上它應該快速冷卻並且很早之前已經停止火山活動。 然而，中國科學家對嫦娥五號玄武岩的研究，證實月球火山活動可以一直持續到20億年前，不僅刷新了人類對月球岩漿活動和熱演化歷史的認知，也提出了新的科學問題：月球火山活動為什麼持續如此之久。

月球玄武岩是月球地幔部分熔融形成的岩漿經火山噴發至月球表面冷卻結晶形成的岩石。對持續冷卻的月球來講，月球地幔發生部分熔融，有兩種可能的途徑：（1）加熱（如放射性元素生熱）；（2）降低熔點（如月球地幔水含量或其它揮發分）。學術界曾通過撞擊隕石坑定年法，預測含有豐富放射性元素的風暴洋（Oceanus Procellarum）克里普（KREEP，是由英文字母K（鉀的元素符號）、REE（稀土元素，Rare Earth Elements）和P（磷）合成的一個新名詞）地體中的一些區域仍有年輕火山活動，所以主流假說認為，放射性元素生熱是維持月球年輕火山活動的主要機制。 然而，最近對同樣來自風暴洋克里普地體的嫦娥五號玄武岩樣本的研究，發現月球地幔源區並不含有豐富的放射性生熱元素，直接否定了這個主流假說；同時研究還發現嫦娥五號玄武岩様本的源區非常乾旱，進一步排除月球地幔因為含有大量水而降低熔點這一猜想。因此，月球火山活動為什麼持續如此之久，成為新一輪月球研究中的未解之謎。

月球地幔發生部分熔融的本質，是月球幔地溫度超過它的固相線（solidus）。 因此，月球火山活動既可以通過其它加熱作用（比如潮汐作用和衝擊作用），使得月球地幔升溫至固相線以上再熔融，還可以通過改變月球地幔源區物質組成，使得固相線向低溫方向移動，從而誘發月球地幔的熔解。 因此，破解月球年輕火山成因的突破口，在於準確限定岩漿起源的溫度和壓力，恢復它的源區組成，在此基礎上與古老美國太陽神登月採集的玄武岩樣本進行對比，重建月球熱-岩漿演化模型。 限定嫦娥五號玄武岩樣本的起源溫度和壓力，恢復其初始岩漿成分是關鍵。

基於這一研究思路，中國科學院地質與地球物理研究所蘇斌副研究員、陳意研究員和原江燕工程師，聯合楊蔚研究員、米切爾（R. N. Mitchell）研究員、王浩副研究員、田恆次副研究員、李獻華院士、吳福元院士和南京大學惠鶴九教授，選取了27顆代表性嫦娥五號玄武岩岩屑（粒徑大、內部礦物顆粒多、分佈均勻），採用新研發的電子掃描鏡能譜定量掃描技術分析岩屑的全岩主量成分，結合一系列岩漿分離結晶模擬和熱力學模擬計算，恢復嫦娥五號玄武岩和太陽神低鈦玄武岩的初始岩漿成分，限定了不同時期月球火山岩的地幔部源區組成（上圖），獲得它們熔融的溫壓條件，取得的結論如下：

（1）與古老的太陽神低鈦玄武岩樣本相比，年輕的嫦娥五號玄武岩樣本的初始岩漿含有更高氧化鈣（CaO）和二氧化鈦（TiO₂），以及更低氧化鎂（MgO）；

（2）與太陽神低鈦玄武岩樣本相比，嫦娥五號玄武岩樣本的源區含有更高的（～20%）岩漿洋晚期形成的單斜輝石-鈦鐵礦堆晶體，它們的加入會顯著降低月幔的熔點，誘發年輕火山的形成；

（3）嫦娥五號玄武岩樣本與太陽神玄武岩樣本起源深度大致相當，但嫦娥五號玄武岩樣本的形成溫度更低，顯示月球內部溫度從38至31億年前到20億年前僅僅降低了大約80℃。

該項工作顯示，儘管月球內部在持續緩慢冷卻，但由於岩漿洋晚期堆晶體翻轉引起的月球地幔物質混合作用可能在月球長期演化歷史中逐漸加強，這一過程不僅可以改變月球地幔源區物質組成，還可以有效降低源區岩石的熔點，抵消月球地幔逐漸緩慢變冷的大趨勢，引發長期持續的月球火山作用。 此項工作量化了月球內部緩慢冷卻的熱演化過程，為月球年輕火山成因這一重要科學問題提供了一種全新的機制，深化了我們對月球的起源和熱演化歷史的認知。

【圖、文：節錄自中國科學院地質與地球物理研究所2022年10月21日新聞公佈；新聞資訊由林景明提供】研究全文刊登在2022年10月21日出版的《科學發展》期刊；標題是：Fusible mantle cumulates trigger young mare volcanism on the cooling Moon