田恒次等

　　

　　

　　月球玄武岩是月幔部分熔融形成的岩浆经火山喷发至月表冷却结晶形成的岩石，这为认识月幔物质组成和演化提供了重要的窗口。阿波罗和月球号返回的月球样品表明月海玄武岩具有明显的成分变化。根据TiO2含量，将玄武岩划分为三种类型：超低钛（< 1wt.%），低钛（1-6wt.%）和高钛（>6wt.%）。不同类型的玄武岩对于我们认识/限定月幔的物质组成和过程起到不同的作用。我国嫦娥五号任务顺利返回了目前最年轻的月球样品，为我们深入了解月幔的物质组成和晚期的演化提供了宝贵的机会。当前，对嫦娥五号玄武岩的类型（低钛vs高钛）、是否有克里普物质的参与（量）等科学问题存在争议。

　　为进一步解决上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所田恒次副研究员、杨蔚研究员、林杨挺研究员、李献华院士、吴福元院士等，利用拉曼光谱、电子探针和激光等离子体质谱仪分析技术对玄武岩中的斜长石开展研究（优势：主要矿物；能够记录较长时间的岩浆演化信息；避免玄武岩岩屑太小代表性不足的问题），取得了新认识：

　　（1）斜长石An牌号，K2O和TiO2含量变化明显，其中An20到An70数据稀少，整体分布特征与阿波罗低钛玄武岩中的斜长石类似。早期结晶的斜长石具有高的An牌号，随着分离结晶进行，An逐渐降低，而微量元素含量逐渐升高（如，La、Ba等；图1）。

　　

　　图1 斜长石微量元素与An牌号的关系

　　（2）利用晶格应变模型计算了斜长石和辉石的平衡熔体组分。结果表明斜长石和辉石平衡熔体都具有明显的稀土元素变化，其平均值明显高于嫦娥五号玄武岩全岩成分和阿波罗玄武岩，与阿波罗15KREEP玄武岩稀土含量类似（图2）。从定性角度而言，这一富集的特征很可能是岩浆经过高程度分离结晶作用形成，而并非是混染KREEP物质的结果（斜长石平衡熔体微量元素变化趋势明显远离KREEP端元；图3）。

　　

　　图2 斜长石和辉石的平衡熔体REE含量变化及其与嫦娥五号全岩组成（月壤和玻璃珠代表）和阿波罗12和15低钛玄武岩全岩对比关系

　　

　　图3 斜长石平衡熔体的微量元素浓度及与其它端元的对比

　　（3）利用斜长石Ti含量和经验公式得到的分配系数估算了平衡熔体的TiO2含量。结果表明，最早期结晶的斜长石（An～90）对应的熔体具有～3.3±0.4wt.%的TiO2含量（图4），落在低钛玄武岩范围。随着An降低（An～90-82），平衡熔体TiO2含量缓慢升高，暗示这一阶段存在镁铁矿物而非钛铁矿的连续结晶。这一结果进一步支持嫦娥五号玄武岩起源于低钛玄武质熔体。

　　

　　图4 斜长石平衡熔体TiO2含量随An的变化

　　研究成果发表于国际学术期刊AM（田恒次，杨蔚，张棣，张慧娟，贾丽辉，吴石头，林杨挺，李献华，吴福元. Petrogenesis of Chang’E-5 mare basalts: Clues from the trace elements in plagioclase [J]. American Mineralogist, 2022. DOI: 10.2138/am-2022-8570）（online版）。该成果受中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-15）、中国国家航天局民用航天技术预研究项目(D020203)、中科院战略先导研究项目(XDB 41000000)、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202101）、中科院青促会项目(2022064)共同资助。