EPSL:月球斜长岩的成因 — 岩浆洋模型的阿克琉斯之踵？

原创惠鹤九行星科学

根据月球大撞击形成理论，大约45亿年前一颗火星大小的天体Theia与原始地球发生碰撞，导致了月球的诞生。碰撞产生的巨大能量以及吸积形成的势能引发了月球的大规模熔融，在月球表面形成岩浆洋。随着温度下降，月球岩浆洋开始结晶。富镁橄榄石及辉石首先结晶并下沉形成原始月幔，当岩浆洋固化到~75%左右时，斜长石开始结晶，由于密度较岩浆小而上浮形成原始斜长质月壳，岩浆洋达到~90%结晶时，密度较大的钛铁矿等矿物也开始结晶，随着岩浆洋的继续固化，残余岩浆中不断富集钾、磷、稀土等不相容元素，最终在原始月壳和月幔之间形成urKREEP储库。晚期结晶的钛铁矿比橄榄石-辉石月幔密度大，因而重力不稳定，发生翻转，导致月幔发生部分熔融，产生的岩浆在月表形成了月海玄武岩。月球岩浆洋的形成和演化对月球的地质演化过程起了决定性作用，因而岩浆洋模型是目前月球地质演化研究的基础，一直备受关注。此外，月球岩浆洋模型已被推广到地球、火星等类地行星以及小行星的地质演化研究中。

月球斜长岩是在月球高地的一类含有>85 vol%富钙斜长石（An > 94）的岩石。根据岩浆洋模型，月球斜长岩，作为原始月壳的残余物，是已知月球样品中唯一从岩浆洋中直接结晶分异出来的岩石。但是，随着月球陨石的大量发现及阿波罗计划返回月岩样品的进一步测试分析，岩浆洋模型受到了极大的挑战。月球斜长岩中斜长石的稀土元素含量可相差40倍。单一的岩浆源区无法形成微量元素相差如此大的斜长岩。此外，斜长岩中镁铁质矿物的Mg#差异很大，但是不同类型斜长岩中斜长石的稀土元素含量差别并不大，这个现象也没法用岩浆洋结晶来解释。更重要的是，斜长岩和镁质岩套的年龄相差不大，都延续了0.3-0.4 Ga，这和岩浆洋模型严重不符。因此，虽然岩浆洋模型的提出源于阿波罗11返回土壤中的斜长岩岩屑，但是月球斜长岩的地球化学数据和岩浆洋模型的不一致，成了岩浆洋模型的危机，长期没有得到解决，近来受到了更多的质疑。

中科院比较行星学卓越中心和类地行星先导专项骨干成员惠鹤九课题组研究了10块月球陨石，从其中找到了51个较大的斜长岩岩屑，分析了它们的主、微量元素。与阿波罗样品及前人测得的陨石样品相比，本次样品与其他陨石样品一样，部分是富镁斜长岩（MAN, 图1），这在阿波罗样品中比较少见，说明这些岩屑样品具有代表性。富镁和富铁这两类斜长岩中斜长石的稀土含量及分配形式却无明显差别，且稀土含量变化很大，绝对含量相差可高达40倍。这些数据和已发表数据一致，证明斜长岩不可能都是从同一个岩浆中通过简单的分离结晶形成。此外，斜长石的稀土元素具有明显不同的演化趋势（图2）。结合阿波罗样品及陨石中斜长岩的数据，惠鹤九课题组提出了斜长岩在岩浆洋中结晶形成原始月壳后，部分斜长岩受到了月幔部分熔融产生的熔体及KREEP熔体的交代作用。月幔熔体交代形成的镁铁质矿物Mg#较高，而KREEP交代的斜长岩富稀土元素。因此，部分月球斜长岩代表了受交代的月壳（图3），因而年龄也被改变了。同时，部分月幔和KREEP熔体直接熔融了斜长质月壳，形成镁质岩套（图3）。这一模型解释了月球斜长岩与镁质岩套年龄的重叠问题及初始εNd值的相似性。交代事件也说明月幔翻转很早就已经发生，远早于月海玄武岩的形成。