月海玄武岩铜同位素揭示月球岩浆洋中金属-硅酸盐平衡过程及其对月幔源区异质性的指示

本研究通过分析阿波罗任务采集的30个月海玄武岩样品的δ65Cu值（+0.14‰至+1.28‰），首次系统揭示铜同位素分馏与LMO（月球岩浆洋）固化晚期金属熔体-硅酸盐平衡过程的关联。研究发现低钛与高钛玄武岩组δ65Cu差异反映月幔源区异质性，提出金属熔体局部捕获模型，为理解月球挥发元素丢失和核幔分异提供新约束。

　　

月球形成初期经历全球性岩浆洋阶段，其固化过程塑造了月壳与月幔的化学分异。然而，关于月幔源区挥发元素（如铜）的分布机制长期存在争议——究竟是早期蒸发丢失主导，还是后期岩浆过程控制？针对这一问题，中国的研究团队对阿波罗任务采集的30个月海玄武岩展开系统性铜同位素分析，相关成果发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

研究采用多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定δ⁶⁵Cu，结合离子交换树脂纯化技术确保数据精度。样品选自阿波罗11/12/15/17任务的低钛（1-6 wt% TiO₂）和高钛（>6 wt% TiO₂）玄武岩，涵盖橄榄石玄武岩（OlB）、辉石玄武岩（PigB）等5种岩相学类型。通过对比Cu-S-Se-Yb元素相关性，建立LMO晚期结晶过程中金属熔体捕获模型。

4.1 月海玄武岩组内铜同位素变异
低钛组δ⁶⁵Cu变化（+0.22‰至+1.28‰）与MgO负相关，但恒定S/Cu排除了硅酸盐结晶分异的影响。高钛组δ⁶⁵Cu更低（均值+0.54‰），71035样品出现异常轻值（-1.42‰），暗示金属包裹体局部混入。

4.3 月幔源区异质性成因
δ⁶⁵Cu与S/Se比值呈反相关，支持金属熔体分步分离模型：早期结晶的橄榄石堆晶捕获S贫金属熔体（富集⁶⁵Cu），而晚期残余熔体演化出S富集特征（δ⁶⁵Cu降低）。数值模拟显示，仅需0.6 wt%金属熔体分异即可产生观测到的同位素偏移。

4.4 LMO固化动力学模型
当LMO结晶达85%时，晶体粥状带发生局部金属饱和。α_{metal-silicate}=1.00025的分馏系数使金属相富集⁶⁵Cu，而残余硅酸盐熔体δ⁶⁵Cu随S含量升高而降低。该过程成功解释低钛与高钛玄武岩源区的成分差异。

这项研究突破性地将铜同位素作为"金属示踪剂"，证实月幔化学异质性源自LMO固化晚期的局域平衡而非全球蒸发。模型预测金属熔体捕获发生在75-96%结晶区间，为月球深部硫循环和核幔相互作用提供定量约束。未来结合Fe-Zn同位素联用，有望进一步揭示月核形成对幔源演化的影响。