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“失踪”的克里普——嫦娥五号月海玄武岩成因

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“失踪”的克里普——嫦娥五号月海玄武岩成因(嫦娥五号样品研究成果的科普解读)

作者:田恒次 等 中科院地质地球所


论文信息

田恒次#,王浩#,陈意#,杨蔚*,周琴,张驰,林红磊,黄超,吴石头,贾丽辉,许蕾,张迪,李晓光,常睿,杨岳衡,谢烈文,张丹萍,张广良,杨赛红,吴福元. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04119-5

链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04100-2


你可能从未听说过克里普,但是它却是月球科学家关注的焦点之一。

克里普因为富集钾(K)、稀土(REE)、磷(P)(缩写KREEP,即克里普)而得名。

月球形成和演化理论认为,月球形成之初,曾被深达数百公里的岩浆洋覆盖。

随着岩浆洋的不断结晶,不相容元素,如:铀(U),钍(Th),钾(K)、稀土(REE)、磷(P)等,在残余熔体中不断富集,形成了克里普,并最终集中在月球的壳-幔之间(下图)。

图 月球岩浆洋模型示意图(修改自Jennifer Rapp)

但是,除了少量的月球返回样品和陨石中富含克里普组分外,人们并没有发现真正的克里普岩。

尽管如此,长期以来,克里普组分仍被认为是月球火山活动持续亿万年之久的原因。毕竟月球质量只有地球的1%,理论上,早就应该完全固化了。

一个流行的假说是,克里普富含的放射性元素,如:铀(U),钍(Th),钾(K),为月球持续的火山活动提供热源。

这一假说得到了遥感探测的支持,月球最年轻的玄武岩,火山活动的产物,主要填充在月球正面一个叫风暴洋克里普地体的地方,它因富集钍(Th),被认为很可能富含克里普组分而得名(下图)。这种最年轻的火山与钍(Th)的相关性似乎暗示,克里普组分中的放射性元素生热是维持月球长时间火山活动的主要因素。

图 月海玄武岩与Th含量分布图(Yang and Lin, 2021, The Innovation) 红色代表嫦娥五号着陆点,青色和蓝色分别代表阿波罗和月球号的着陆点。嫦娥五号着陆在一个年轻的、富钍(Th)的区域。

但是,这个假说从未被年轻玄武岩样品证实,无论是美国阿波罗计划、苏联月球号,还是月球陨石,都没有收集到月球最年轻的玄武岩。

为此,我国的嫦娥五号选择去月球最年轻的地方,试图揭秘,克里普到底对月球最年轻火山活动有什么贡献?

带着这样的问题,我们开始了嫦娥五号月球样品的研究。

要想鉴别岩浆中是否含有克里普组分,我们首先要知道克里普的特征。

尽管克里普因富含K、REE、P等不相容元素而得名,但是,玄武岩岩浆富含不相容元素,并非都是因为其起源于一个富含克里普的月幔。

一个原本不含克里普的岩浆,在经过大量矿物结晶的高程度演化之后,剩下的岩浆也会变得富含不相容元素。

这就是我们面临的问题。

在研究了嫦娥五号玄武岩的矿物和化学成分之后,我们发现它比阿波罗和月球号返回的月球玄武岩都更加富含不相容元素,例如:稀土元素(下图)。


图 嫦娥五号玄武岩的稀土元素组成嫦娥五号玄武岩(红)相比于阿波罗和月球号玄武岩含有更高的稀土元素,其稀土配分形态与克里普玄武岩非常类似

但是,如前所述,这既可能来自于克里普的贡献,也可能来自于大量矿物结晶的高程度演化。

而且,从矿物学研究的结果看,嫦娥五号玄武岩确实经历过高程度演化(下图)。


图 嫦娥五号玄武岩的岩石学和矿物化学特征从全岩成分看,嫦娥五号玄武岩的镁指数(Mg#)很低,显著低于阿波罗和月球号样品,镁指数越低,说明演化程度越高。这与嫦娥五号玄武岩中的辉石和橄榄石更富集铁的观察是一致的。

于是,我们不得不使用同位素,如:锶(Sr)、钕(Nd)、铅(Pb)等,同位素是识别克里普组分更有效的方式,它们就像是岩石的DNA,不会随后来的岩浆演化而变化。

但是,难点在于,嫦娥五号月壤中的玄武岩颗粒都异常微细,要想获得嫦娥五号玄武岩的同位素比值并非易事。

在这方面,中国科学院地质与地球物理研究所激光剥蚀电感耦合等离子体实验室有着十几年的技术积累。

采用世界最高空间分辨的激光原位分析方法,分别在80微米和20微米尺度获得长石的Sr和白磷钙矿的Nd同位素。

这也是迄今为止微区Sr-Nd同位素分析方法首次应用于月球样品研究

锶(Sr)和钕(Nd)同位素的结果出乎了我们的预料:

嫦娥五号玄武岩,迄今为止月球最年轻的玄武岩,其锶(Sr)和钕(Nd)同位素与克里普具有显著的差异(下图)。

计算表明,其在形成过程中,克里普组分的贡献不足千分之五。

图 嫦娥五号玄武岩锶(Sr)和钕(Nd)同位素结果嫦娥五号玄武岩锶(Sr)和钕(Nd)同位素(红色)与克里普(绿色)有显著的差异,计算表明,克里普组分的贡献不足千分之五。

这一发现意味着,维持月球长期火山活动的,并非月幔中富含克里普。

但是,在月幔不含克里普组分的情况下,月球的岩浆活动为什么能持续这么久呢?

我们后续的研究将继续尝试回答这一月球科学之谜。