嫦娥五号玄武岩揭示月球浅层地幔源区与顶部加热延长岩浆活动的机制

中国科学家通过嫦娥五号任务采集的20亿年前玄武岩样本，结合高温高压实验和相平衡模拟，首次证实月球最年轻火山岩源自75-130公里浅层地幔。研究推翻KREEP组分深部加热的传统模型，提出近月面亚壳层KREEP通过顶部传导加热维持长期岩浆活动的新机制，为理解类地行星热演化提供关键约束。

　　

月球作为地球最近的邻居，其演化历史一直被视为理解类地行星热力学过程的天然实验室。长期以来，科学家们对月球晚期（20亿年前）仍存在火山活动的现象充满疑惑——按照传统理论，如此小的天体应该早已冷却。更令人费解的是，这些晚期火山活动集中分布在月球近地面的风暴洋区域，与神秘的KREEP（富集钾、稀土元素和磷的组分）分布区高度重合。嫦娥五号任务从月球风暴洋北部带回的20亿年前玄武岩样本，为破解这一谜题提供了关键样本。

中国科学院地质与地球物理研究所的研究人员对这些迄今最年轻的月球火山岩展开了系统性研究。通过精确测定样品同位素组成，团队首先排除了KREEP直接参与岩浆形成的可能——样品中¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd（0.222-0.227）和⁸⁷Rb/⁸⁶Sr（0.009-0.022）比值显示其源区长期处于不相容元素贫化状态。这一发现直接挑战了"KREEP深部加热"的传统模型，因为如果KREEP随月球岩浆洋（LMO）晚期结晶的钛铁矿堆积体下沉至深部地幔，其放射性衰变产生的热量理论上应该在这些年轻玄武岩的同位素特征中留下印记。

为确定岩浆起源深度，研究人员创新性地采用多方法交叉验证策略。通过筛选与橄榄石（Mg#59.4）达到Fe-Mg交换平衡的样品（103-001,005）作为实验起始物质，在0.5GPa（约100公里深度）条件下首次观察到斜长石、钛铁矿、橄榄石和单斜辉石四相共存的液相线多重饱和点（MSP）。相平衡模拟软件Perple_X的计算结果与实验结果高度吻合，共同指向75-130公里的浅部地幔源区。稀土元素（REE）模拟进一步证实，含斜长石的辉石岩源区在1-2%低度部分熔融条件下产生的熔体，其REE配分模式与嫦娥五号玄武岩特征完美匹配。

为解释浅部地幔的持续加热机制，研究团队构建了精细的有限元热演化模型。模拟显示，当KREEP以5-10公里厚层状形式存在于月壳底部时，其放射性衰变产生的热量可使上覆地幔在20亿年时仍保持比无KREEP区域高240-500℃的温度。这一"顶部加热"模型得到地质证据支持：月球表面Th分布数据显示，雨海盆地撞击仅挖掘出25-80公里深度的KREEP物质，且小型撞击坑的Th含量与坑径呈反比关系，共同证实KREEP主要富集在亚壳层而非深部地幔。

该研究通过实验岩石学、计算模拟和地质观测的多学科交叉，首次证实月球晚期火山活动由浅部地幔熔融驱动，革新了我们对类地行星热演化的认知。发表于《SCIENCE ADVANCES》的这项成果不仅为月球热历史研究树立新范式，其建立的"顶部加热"机制也可能适用于解释其他岩质天体的长期地质活动。

关键技术方法包括：1）基于橄榄石-熔体平衡筛选原始岩浆成分；2）使用BaCO₃组装高压釜开展0.5-1.5GPa高温高压实验；3）采用Perple_X软件进行相平衡计算；4）建立二维有限元热传导模型模拟KREEP层热效应。

【岩浆源区特征】实验显示CE-5玄武岩在0.5GPa出现四相饱和，结合REE模拟确认其源自含斜长石的辉石岩源区，排除深部石榴石稳定场的可能性。

【热演化机制】COMSOL模型揭示10公里厚亚壳层KREEP可使上覆地幔增温500℃，解释为何20亿年月幔仍能发生部分熔融。

【地质意义】雨海撞击 ejecta 的Th分布特征证实KREEP主要存在于25-80公里深度，支持其未参与地幔翻转的模型假设。

这项研究开创性地将样品分析、实验岩石学和数值模拟相结合，证实月球长期岩浆活动由浅部地幔在亚壳层KREEP传导加热下产生。这一发现不仅解决了"年轻月球火山活动"的世纪谜题，其建立的"顶部加热"范式更为研究水星、火星等岩质天体的热演化提供了新视角。研究揭示的浅部熔融机制还可能影响未来月球资源勘探策略，因为不同深度的岩浆活动会形成差异化的矿产分布。该成果彰显了我国月球样品研究的国际领先地位，为后续嫦娥工程科学目标规划提供了重要理论支撑。