含钛铁矿辉石岩的月球年轻火山活动变化获揭示

在中国科学院院士、中国科学院广州地球化学研究所研究员徐义刚的指导下，该所副研究员汪程远、高级工程师张乐等科研人员，研究揭示了源于浅部（<100千米）含钛铁矿辉石岩的月球年轻火山活动变化。相关成果近日发表于《地球和行星科学快报》（Earth and Planetary Science Letters）。

月球岩浆洋模型认为岩浆洋晚期会在月幔顶部形成富含钛铁矿的辉石岩堆晶以及富集放射性元素的克里普组分。而辉石岩堆晶堆晶由于密度较大会沉入深部引发月幔翻转。一些研究认为是下沉到深部的辉石岩堆晶的活动导致了嫦娥五号玄武岩的形成。

然而，该观点会面临两个问题：一是，辉石岩堆晶的沉降发生在岩浆洋结晶的晚期（~44-43亿年）；二是，之前的研究认为嫦娥五号玄武岩是由低钛玄武岩演化而来，而后者源区不应该有辉石岩堆晶。因此，嫦娥五号玄武岩的成因仍有待探索。

该研究通过对嫦娥五号玄武岩中的辉石进行微区分析，结合微量元素模拟以及相平衡计算等综合手段，提出月球年轻火山的源区是位于其浅部（<100千米）的辉石岩堆晶堆晶。这一发现革新了学界关于月幔翻转过程以及月球内部热演化的认识。

研究团队首先注意到，嫦娥五号玄武岩具有显著的高场强元素的负异常，表明其或者经历了钛铁矿的分离结晶，或者源区含有残余钛铁矿，或者需要克里普组分混染。然而，同位素不支持显著克里普组分混染，且嫦娥五号玄武岩中的辉石成分演化和低钛玄武岩完全不同。为进一步制约分离结晶过程的影响，研究团队利用辉石成分反演了嫦娥五号玄武岩演化过程中二氧化钛含量的变化。结果显示，初始岩浆没有经历钛铁矿结晶分异，其高场强元素可以反映原始熔体的信息。

因此，嫦娥五号玄武岩源区很可能含有钛铁矿。研究团队利用非批式熔融模型进行了模拟。结果显示，嫦娥五号玄武岩源区需要>10%的钛铁矿，大部分为辉石岩。嫦娥五号玄武岩应是一种新型月球火山熔岩，其源区和阿波罗玄武岩完全不同。利用相平衡模拟计算其形成温压的结果显示，形成温度约为~1100至1140℃，压力约为3到5千巴。表明嫦娥五号玄武岩起源深度较浅（~100千米）。

遥感数据显示，年轻月球火山的二氧化钛含量是逐渐升高的，支持年轻月球火山源于辉石岩堆晶的可能。由于岩浆洋模型预测的辉石岩堆晶形成深度也正是60-100千米，嫦娥五号玄武岩的源区应是那些未发生沉降的辉石岩堆晶。这表明，月幔翻转其实是不完全的。

此外，月球在以嫦娥五号玄武岩为代表的爱拉托逊纪时代的热状态和雨海纪时代也并不相同。此时月球火山的热源主要来自浅部（<100千米），或是辉石岩堆晶和月壳之间的克里普组分，或是撞击过程。令人困惑的是，这些玄武岩并未显示显著的克里普组分信号，而同时期的大型撞击坑也并未观测到，因此年轻月球火山的热源问题仍有待进一步研究。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118770