年轻月球火山活动的热驱动机制与源区特征：嫦娥六号远侧月海玄武岩的岩石地球化学约束

针对月球年轻火山活动（<3.0 Ga）热源机制不明的科学难题，研究人员通过嫦娥六号（CE-6）任务采集的远侧低钛（LT）与极低钛（VLT）玄武岩样品，结合岩石学、地球化学与热力学模拟，揭示其源区为未完全翻转的钛铁矿堆积层（IBC），提出岩浆底侵作用是驱动晚期火山活动的主要热机制，为月球热演化不对称性提供了关键证据。

　　

月球作为地球唯一的天然卫星，其火山活动的持续时间远超早期预期。阿波罗任务揭示月球火山主要集中于39-31亿年前（Imbrian纪），但遥感观测却发现大量年轻（<3.0 Ga）的火山单元，例如嫦娥五号（CE-5）返回的20亿年玄武岩。这些年轻火山活动为何能持续数十亿年？其热源机制与早期火山有何差异？这一谜题直接关乎月球热演化史与深部动力学过程。尤其引人注目的是，年轻火山在月球近侧与远侧呈现显著成分差异，暗示月幔可能存在根本性不对称。嫦娥六号（CE-6）从南极-艾肯盆地（SPA）的Apollo撞击坑带回28-29亿年的玄武岩样品，为破解这一难题提供了关键样本。

为揭示年轻火山活动的驱动机制，研究团队对CE-6的LT（低钛）和VLT（极低钛）玄武岩开展了系统分析。通过电子探针（EPMA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）测定矿物成分，结合二次离子质谱（SIMS）铅同位素定年与锶同位素分析，确认两类玄武岩分别形成于28亿年与29亿年，且源区深度存在显著差异。热力学模拟（GeoPS程序）与活塞圆筒实验验证了多饱和点（MSP）计算方法的可靠性，揭示LT玄武岩源自60-80公里深的钛铁矿堆积层（IBC），而VLT玄武岩则来自更深的120公里处辉石岩源区。

关键实验技术

研究采用电子探针（EPMA）分析矿物主量元素，激光剥蚀多接收电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）测定Rb-Sr同位素，SIMS完成锆石铅同位素定年。通过高压实验（0.4-1.3 GPa，1100-1230°C）验证热力学模型，结合Cpx-熔体压力计与斜长石-熔体温度计约束源区条件。样本来自CE-6任务在Apollo盆地南部的铲取样品。

结果解析

1. 1.

   源区岩性约束：CE-6 LT玄武岩的Ta/Nd（0.05）与Zr/Nb（15）比值指示其源区为含3%钛铁矿的辉石岩，与LMO（月球岩浆洋）晚期堆积的IBC成分吻合；VLT玄武岩则源自不含钛铁矿的辉石岩层。

2. 2.

   深度演化：矿物温压计显示，29亿年VLT玄武岩形成于100-120公里深度，而28亿年LT玄武岩源区抬升至60-80公里，反映热源随时间变浅。

3. 3.

   热驱动机制：数值模拟表明，增厚的岩石圈迫使深部熔体在IBC底部底侵（0.2-2 km/Ma），其传导热可熔化上覆IBC，形成年轻火山活动。

4. 4.

   月球二分性：全球遥感数据显示，远侧年轻玄武岩平均TiO₂（1.6 wt%）显著低于近侧（5.4 wt%），反映IBC在月幔中的不对称分布。

结论与意义

研究首次证实年轻月球火山活动由浅部残留IBC的部分熔融驱动，其热源来自深部熔体的底侵作用，而非传统认为的KREEP组分或撞击加热。这一机制完美解释了CE-5与CE-6玄武岩的同位素贫化特征，并为月球热演化转折（3.0 Ga）提供了关键节点证据：早期（>3 Ga）火山源自翻转的深部月幔，而晚期（<3 Ga）则受控于浅层IBC熔融。更深远的是，研究揭示了月幔成分的半球不对称性——近侧厚层富钛IBC产生高钛玄武岩，而远侧薄层贫钛IBC仅能形成VLT玄武岩。这一发现发表于《SCIENCE ADVANCES》，不仅重塑了月球热史认知，也为类地行星的岩浆活动多样性研究提供了新范式。