中国探月工程嫦娥五号任务2020年12月返回了迄今为止最年轻的（约20亿年前）月球玄武岩样品，这直接证实了在20亿年前月球演化晚期其内部还未完全“死寂”。然而，月幔源区在如此晚的演化阶段发生熔融的条件和机制，以及玄武岩如何在冷的、厚的月球岩石圈中发生迁移并导致了这一相对较晚火山喷发，仍然是一个悬而未决的关键科学问题。这些问题对于认识月球晚期的演化和类地行星火山的喷发机制至为关键。中国地质大学（武汉）由汪在聪和肖龙教授所领衔的嫦娥五号月壤研究团队，联合布朗大学James W. Head教授，巴黎城市大学 Frédéric Moynier教授，柏林自由大学Harry Becker教授，对嫦娥五号月壤中的玄武岩碎屑开展了定量结构分析、扩散年代学、单斜辉石地质温压计和分离结晶模拟等多方法的综合研究，提出了嫦娥五号玄武岩的起源、上升、储存和喷发的岩浆通道系统的结构和动力学的综合模型，建立了嫦娥五号玄武岩的动态岩浆-热演化的“全景图”，揭示月幔源区中丰富的低固相线温度的单斜辉石岩堆晶以及略微增高的放射生热性元素（KREEP组分）可以解释长期的、但不断衰减的月球火山活动。相关成果发表在《Nature Geoscience》上，第一作者和通讯作者为中国地质大学（武汉）骆必继副教授，实验室汪在聪教授为共同通讯作者。

火山作用是类地天体的主要内生过程，反映了其内部的热状态和演化(Wilson, 2009)。月球上的火山活动是其热-化学演化的关键记录(Shearer et al., 2006)。中国的嫦娥五号任务降落在风暴洋北部，并对迄今为止最年轻的（~2.0 Ga）月球玄武岩单元之一进行了采样。前人研究显示嫦娥五号玄武岩形成于距今约20亿年前(Che et al., 2021; Li et al., 2021)，且发现嫦娥五号玄武岩的月幔源区既没有高浓度的KREEP(Tian et al., 2021)，也不富集挥发分(Hu et al., 2021)。因此，一个备受关注的关键科学问题是确定导致月幔在如此晚的演化阶段发生熔融的机制(Su et al., 2022)。此外，月球玄武岩的上升、喷发和化学演化历史，对于理解月球晚期演化和类地行星火山的喷发机制具有重要意义，但目前对其知之甚少。

研究表明返回的嫦娥五号月壤样本主要由原位的玄武岩（>95%）组成，代表了月球晚期一次大规模的火山喷发事件(Che et al., 2021; Li et al., 2021; Tian et al., 2021; Qian et al., 2021; Zong et al., 2021)。组成玄武岩碎屑主要矿物包括单斜辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿等，其结构具有明显的多样性，包括斑状、辉绿结构、次辉绿结构和微晶状等(Che et al., 2021; Tian et al., 2021; Li, C et al.,2021; He et al., 2022)。初步的矿物学和地球化学研究认为嫦娥五号玄武岩是月表之下大型岩浆储库内低钛玄武岩岩浆高度分离结晶的产物(Tian et al., 2021; He et al., 2022; Yang et al., 2022; Zhang et al., 2022)。单斜辉石可以提供有关岩浆储库起源和储存条件、结晶历史、时间尺度和动力学过程的重要信息。地球火山学和岩石学的最新进展之一是将定量结构分析、地质温压计算、扩散年代学和热力学模拟相结合可以重建整个岩浆系统的演化历史。因此，嫦娥五号玄武岩碎屑中结构和辉石环带的多样性为解读年轻月球火山活动的岩浆热演化提供了独特的机会。

嫦娥五号玄武岩的结构多样性反映了其复杂的结晶冷却历史。定量的晶体粒度分析（CSD）结果表明嫦娥五号玄武岩碎屑中的矿物可以分为三个晶体群，结合矿物生长速度，微晶群1 (< 0.1 mm)是在~3-8天内快速冷却形成的；微晶群2(0.1-0.5mm)的停留时间为~10-50天；而粒度较大的群3（最大粒度>0.5mm）显示出较长的停留时间~77-105天（图1）。

图1：嫦娥五号玄武岩的晶体粒度分布（CSD）和单斜辉石Mg#扩散结果。a, 嫦娥五号玄武岩碎屑中的斜长石、钛铁矿和闪石的CSD模式。b, 微晶群1和群2的CSD模式。c, CSD停留时间（days）与特征长度（mm）。d, 单斜辉石环带Mg#扩散时间。

 根据单斜辉石结构和成分环带其可为三种类型（图2）：I型，以基质微晶（I-a）或大斑晶（I-b）的形式出现，具有简单核-边结构。II型单斜辉石具有补丁状的正环带。第III类单斜辉石，通常具有较大的粒径和核-幔-边结构，包括阶梯状的正环带（III-a）和反（III-b）环带。对单斜辉石II型和III型内部环带进行Mg-Fe扩散模拟计算结果表明，这些晶体经历了几天到至少几百天的停留时间，这与CSD方法获得的存留时间相当（图1）。单斜辉石的成分也记录了其结晶历史，结果显示少量具有高Mg#，Al和Na含量大粒径的单斜辉石斑晶来自于深部储库。对代表了相对较早结晶高Mg#的单斜辉石的温压计算也表明，大多数高Mg#的单斜辉石在2-5 kbar和1140-1200°C下结晶，而一些稀少的晶粒可能是从更深的位置（7-12 kbar和1260-1300°C）挟带而来，pMELTS模拟的结果也证实了这一点。

图2：不同类型的单斜辉石的背散射电子（BSE）图像和X射线成分图（铁含量）以及相应的Mg#值剖面。

 准确确定嫦娥五号玄武岩月幔源区的关键在于正确的估计代表性原生岩浆的成分。pMELTS模拟的结果表明嫦娥五号玄武岩的源区与Apolo-12低钛玄武岩非常相似，但前者的熔融程度较低，以及大多数的玄武岩碎片是高程度（>30%）分离结晶的产物。相图中的多重饱和点对约束月球玄武岩的熔融残余矿物和估计最小熔融深度非常有帮助。结合pMELTS模拟结果，嫦娥五号玄武岩可能起源于1350±50°C和10-13 kbar（250±50 km）的含橄榄石单斜辉石岩源区，对应于月幔的上部。

图3：年轻的嫦娥五号玄武岩的岩浆通道系统的示意性结构和动力学模型。a、单斜辉石-熔体压力计结果柱状频率分布图。b、嫦娥五号玄武岩的密度随深度的变化曲线。c、嫦娥五号玄武岩的岩浆通道系统。d、含橄榄单斜辉石岩发生低程度部分熔融形成原生低钛玄武质岩浆。e、由于密度和流变屏障，上升的熔体在月幔顶部停滞，在40–100 km处形成了主要的岩浆储库。f、在喷发通道中岩浆迅速喷发到月球表面。

基于温压计算和现有地球化学结果，论文提出了嫦娥五号玄武岩的生成、上升、存储和喷发的岩浆通道系统结构和动力学过程的综合模型。嫦娥五号玄武岩起源于含橄榄石的单斜辉石岩月幔源区（10-13 kbar或250±50 Km；1350±50℃），与阿波罗十二号低钛玄武岩相似。由于熔体的密度低于月幔，这些岩浆形成后沿着岩浆管道快速上升。由于冷却和增厚的月球岩石圈与低密度月壳底部之间的流变和密度屏障，上升演化的熔体并没有直接喷发到月表，岩浆主要积聚在岩石圈月幔的顶部（~2-5 kbar或40-100Km，1150±50℃），并在那里至少停滞了几百天，并发生了高程度的结晶分异。最后，残余的演化熔体由于岩浆房内的超压作用在几天内沿着岩浆通道迅速喷发到地表。我们提出的岩浆-热演化模型还表明嫦娥五号玄武岩源区存在丰富的低固相线温度的单斜辉石岩堆晶和略微增强的放射性元素库存，这一组合可以解释长期的、不断衰减的月球火山活动。

论文信息

Luo Biji*, Wang Zaicong*, Song Jiale, Qian Yuqi, He Qi, Li Yiheng, James W. Head, Frédéric Moynier, Xiao Long, Harry Becker, Huang Bixuan, Ruan Bing, Hu Yangxuan, Pan Fabing, Xu Chang, Liu Wenlong, Zong Keqing, Zhao Jiawei, Zhang Wen, Hu Zhaochu, She Zhenbing, Wu Xiang, Zhang Hongfei. The magmatic architecture and evolution of the Chang’e-5 lunar basalts. Nature Geoscience (2023). https://doi.org/10.1038/s41561-023-01146-x