发现月球~4.38 Ga最古老不混溶富硅熔体的锆石证据

高度演化的富硅岩石（如：花岗质岩石）是月球上比较稀有的一种岩石类型，它们通常以微米至厘米级岩屑的形式分布于Apollo返回的角砾岩样品之中。前人通过对一系列Apollo任务返回的花岗质岩屑进行定年分析，获得其结晶年龄值为~3.8–4.33 Ga。但由于已返回的月球样品仅限于月球正面中低纬度的风暴洋区域，制约了对月球富硅质岩浆活动的全面认识。

硅酸盐岩浆液态不混溶（SLI）被认为是月球高度演化富硅岩石的成因机制之一，即：在岩浆演化的后期，母岩浆通过液态不混溶过程，形成富铁玄武质岩浆和富硅流纹质岩浆。该过程通常在Apollo玄武岩的硅酸盐矿物（如：斜长石）熔体包裹体中被发现。

图1 月球角砾岩陨石NWA 10049中含熔体包裹体的锆石颗粒

月球陨石代表了月表物质的随机取样，能为全面认识月球地质演化提供分析样本。中国科学院地球化学研究所月球与行星科学研究中心通过对一块斜长质角砾岩陨石NWA 10049开展分析（图1），发现了一颗含熔体包裹体的锆石碎屑（包裹体具有富SiO₂和贫FeO的成分特征）。考虑到锆石包裹体成分特征通常反应了其结晶时的熔体性质，该锆石为研究月球富硅质岩浆活动提供了契机。

图2 锆石颗粒中熔体包裹体化学成分与不混溶富硅熔体具有类似的化学成分

本研究分析的锆石包裹体成分特征为（图2）：（1）主要由~79–92 wt% SiO₂、~2–12 wt% Al₂O₃、~0.3–1.2 wt% K₂O、~0.3–7 wt% Na₂O组成；（2）FeO、TiO₂、CaO和P₂O₅含量较低（<~0.5 wt%）；（3）包裹体稀土元素配分模式均呈现轻稀土亏损的特征。这些地球化学特征指示了该锆石形成于月球岩浆演化后期的不混溶富硅熔体相。

图3 NWA 10049中锆石颗粒的结晶年龄与其它月球岩石的年龄对比

NanoSIMS的定年结果显示：该锆石的结晶年龄为4.383±0.04 Ga（1σ），该年龄值比目前已获得的Apollo花岗质岩石（~3.88–4.33 Ga）和玄武岩（<~4.37 Ga）的年龄值要古老（图3），这使得该锆石颗粒成为了月球存在~4.38 Ga古老不混溶富硅熔体的直接证据。另外，该研究还指示了月球富硅质岩浆活动可能具有更长的持续时间（超过0.7 Ga）。

本研究受到中国科学院先导专项（XDB41000000）、国家自然科学基金、中国博士后基金等的支持，成果近期发表于Geophysical Research Letters上：

Zeng, X., Joy, K., Li, S., Lin, Y., Wang, N., Li, X., Li, Y., Hao, J., Liu, J., & Wang, S. (2020). Oldest immiscible silica-rich melt on the Moon recorded in a ~4.38 Ga zircon. Geophysical Research Letters, Doi: 10.1029/2019GL085997.