嫦娥五号玄武岩样本揭开月球年轻火山成因之谜

月球形成于约45亿年以前，它的质量只有地球的~1%，对于如此小的天体来讲，理论上它应该快速冷却并且很早之前已经停止火山活动。 然而，中国科学家对嫦娥五号玄武岩的研究，证实月球火山活动可以一直持续到20亿年前，不仅刷新了人类对月球岩浆活动和热演化历史的认知，也提出了新的科学问题：月球火山活动为什么持续如此之久。

月球玄武岩是月球地幔部分熔融形成的岩浆经火山喷发至月球表面冷却结晶形成的岩石。 对持续冷却的月球来讲，月球地幔发生部分熔融，有两种可能的途径：（1）加热（如放射性元素生热）; （2）降低熔点（如月球地幔水含量或其它挥发分）。 学术界曾通过撞击陨石坑定年法，预测含有丰富放射性元素的风暴洋（Oceanus Procellarum）克里普（KREEP，是由英文字母K（钾的元素符号）、REE（稀土元素，Rare Earth Elements）和P（磷）合成的一个新名词）地体中的一些区域仍有年轻火山活动，所以主流假说认为，放射性元素生热是维持月球年轻火山活动的主要机制。 然而，最近对同样来自风暴洋克里普地体的嫦娥五号玄武岩样本的研究，发现月球地幔源区并不含有丰富的放射性生热元素，直接否定了这个主流假说; 同时研究还发现嫦娥五号玄武岩様本的源区非常干旱，进一步排除月球地幔因为含有大量水而降低熔点这一猜想。 因此，月球火山活动为什么持续如此之久，成为新一轮月球研究中的未解之谜。

月球地幔发生部分熔融的本质，是月球幔地温度超过它的固相线（solidus）。 因此，月球火山活动既可以通过其它加热作用（比如潮汐作用和冲击作用），使得月球地幔升温至固相线以上再熔融，还可以通过改变月球地幔源区物质组成，使得固相线向低温方向移动，从而诱发月球地幔的熔解。 因此，破解月球年轻火山成因的突破口，在于准确限定岩浆起源的温度和压力，恢复它的源区组成，在此基础上与古老美国太阳神登月采集的玄武岩样本进行对比，重建月球热-岩浆演化模型。 限定嫦娥五号玄武岩样本的起源温度和压力，恢复其初始岩浆成分是关键。

基于这一研究思路，中国科学院地质与地球物理研究所苏斌副研究员、陈意研究员和原江燕工程师，联合杨蔚研究员、米切尔（R. N. Mitchell）研究员、王浩副研究员、田恒次副研究员、李献华院士、吴福元院士和南京大学惠鹤九教授，选取了27颗代表性嫦娥五号玄武岩岩屑（粒径大、内部矿物颗粒多、分布均匀），采用新研发的电子扫描镜能谱定量扫描技术分析岩屑的全岩主量成分，结合一系列岩浆分离结晶模拟和热力学模拟计算， 恢复嫦娥五号玄武岩和太阳神低钛玄武岩的初始岩浆成分，限定了不同时期月球火山岩的地幔部源区组成（上图），获得它们熔融的温压条件，取得的结论如下：

（1）与古老的太阳神低钛玄武岩样本相比，年轻的嫦娥五号玄武岩样本的初始岩浆含有更高氧化钙（CaO）和二氧化钛（TiO₂），以及更低氧化镁（MgO）;

（2）与太阳神低钛玄武岩样本相比，嫦娥五号玄武岩样本的源区含有更高的（~20%）岩浆洋晚期形成的单斜辉石-钛铁矿堆晶体，它们的加入会显著降低月幔的熔点，诱发年轻火山的形成;

（3）嫦娥五号玄武岩样本与太阳神玄武岩样本起源深度大致相当，但嫦娥五号玄武岩样本的形成温度更低，显示月球内部温度从38至31亿年前到20亿年前仅仅降低了大约80°C。

该项工作显示，尽管月球内部在持续缓慢冷却，但由于岩浆洋晚期堆晶体翻转引起的月球地幔物质混合作用可能在月球长期演化历史中逐渐加强，这一过程不仅可以改变月球地幔源区物质组成，还可以有效降低源区岩石的熔点，抵消月球地幔逐渐缓慢变冷的大趋势，引发长期持续的月球火山作用。 此项工作量化了月球内部缓慢冷却的热演化过程，为月球年轻火山成因这一重要科学问题提供了一种全新的机制，深化了我们对月球的起源和热演化历史的认知。

【图、文：节录自中国科学院地质与地球物理研究所2022年10月21日新闻公布; 新闻资讯由林景明提供】研究全文刊登在2022年10月21日出版的《科学发展》期刊; 标题是：Fusible mantle cumulates trigger young mare volcanism on the cooling Moon

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