嫦娥六号月表风化层中岩屑的岩石学研究：揭示月球背面岩浆演化与化学分异

《Solid Earth Sciences》：Petrographic study of lithic fragments in Chang'e-6 surface regolith

本刊推荐：针对月球近远侧不对称成因这一关键科学问题，研究人员对嫦娥六号返回的月球背面样品开展了系统的岩相学与地球化学研究。通过微区X射线荧光光谱、电子探针等技术，首次在远侧识别出低钛玄武岩、极低钛玄武岩、类KREEP碎屑及斜长岩等多种岩石类型，证实远侧存在多期次岩浆活动及异质性地幔源区，为月球岩浆洋演化模型和月幔化学分异提供了直接证据。

　　

月球作为地球唯一的天然卫星，一直是人类探索地外天体的重要前哨站。关于月球的形成，目前最主流的学说是大碰撞假说：约45亿年前，一个火星大小的天体“忒伊亚”与原始地球相撞，溅射出的物质在地球轨道上聚集冷却，形成了早期的月球。这次碰撞产生的巨大动能使得月球外层熔化，形成了全球性的岩浆海，即月球岩浆洋。随着岩浆洋的冷却结晶，密度较大的橄榄石、辉石等矿物下沉形成月幔，而密度较小的斜长石上浮结晶构成月壳，介于月壳和月幔之间的残余熔体则富集了钾、稀土元素和磷等热产生元素，最终结晶形成独特的KREEP层。然而，月球在拓扑、地壳厚度和地球化学组成上呈现出显著的近远侧不对称现象，其成因机制至今未解。一个主流假说认为，形成月球远端南极-艾特肯盆地的巨大撞击事件是导致这种不对称的关键。但受限于样本来源，此前所有月球采样返回任务均集中在月球近侧，无法直接约束远侧的地壳和地幔组成，严重制约了我们对月球二分性的理解。

2024年6月25日，中国的嫦娥六号任务成功从月球背面的南极-艾特肯盆地采集并返回了1935.3克样品，这是人类历史上首次获得月球背面的样品。为了深入探究月球远侧的岩石类型、岩浆活动历史以及地幔源区特征，由中国科学技术大学深空探测国家重点实验室/壳幔物质与环境演化国家重点实验室的沈吉、陈德亮、左智伟、张英男和秦礼萍组成的研究团队，对嫦娥六号表面风化层样品中的岩屑开展了详细的岩石学和地球化学研究。相关成果发表在《Solid Earth Sciences》上，为揭示月球不对称性的成因提供了关键证据。

研究人员主要运用了四种关键技术方法：利用微区X射线荧光光谱对代表性样品薄片进行元素分布测量；通过电感耦合等离子体发射光谱和质谱进行全岩主量和微量元素分析；采用电子探针显微分析仪测定矿物主量元素成分；结合激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析矿物的主量和微量元素组成。研究样本来自嫦娥六号表层风化层样品CE6C0400YJFM004，包括超过50颗质量大于0.3毫克的颗粒以及三块较大的玄武质岩屑。

3. 岩相学特征与样品描述

研究团队根据显微X射线荧光和电子探针分析结果，将岩屑划分为多种岩性。玄武岩是风化层中的主要组分，主要呈现嵌晶结构和辉绿结构，矿物组合以单斜辉石和斜长石为主，含少量钛铁矿、陨硫石以及代表岩浆晚期残余熔体的硅钾质玻璃、富铁辉石、铁橄榄石和磷灰石。角砾岩根据形成机制分为风化层角砾岩和冲击熔融角砾岩，前者由低能撞击或重力压实胶结而成，后者则具有玻璃质或微晶熔体基质。胶结物是风化层中的重要组成部分，由撞击产生的玻璃质基质粘结各种岩屑和矿物颗粒。此外，还识别出浅色斜长岩碎屑和成分均匀的玻璃球粒，前者可能代表原始长英质月壳残留或撞击熔融片再结晶产物。

4. 矿物学与地球化学特征

4.1. 玄武岩

研究的玄武岩碎屑显示出两种主要矿物组合：嵌晶结构和辉绿结构。辉石主要为普通辉石和易变辉石，成分范围为Wo_9.8–38.9En_0.1–55.1Fs_20.5–85.4，并具有化学成分环带，核部富镁，边部富铁。斜长石相对均一，钙长石值介于83.6至97.1之间。橄榄石分为早期结晶相和晚期富铁相。辉石成分投图显示，大部分数据点落在阿波罗低钛玄武岩区域，证实了嫦娥六号着陆区存在低钛玄武岩。同时，部分辉石数据显示出与极低钛玄武岩的亲缘性，表明研究区玄武岩至少包括低钛和极低钛两种类型。值得注意的是，三个碎屑显示出独特的低FeO、低TiO₂、高Al₂O₃、高Mg#值以及富集轻稀土的特征，类似于近侧的KREEP玄武岩或高铝玄武岩，因此被定义为类KREEP碎屑，表明月球远侧也存在类似的富集组分。

4.2. 斜长岩碎屑

斜长岩碎屑中斜长石含量约60%至80%以上，主要为高钙斜长石。辉石是第二主要矿物，可细分为斜方辉石、易变辉石和普通辉石。部分碎屑还含有少量橄榄石。根据斜长石含量差异，可进一步划分为苏长斜长岩、斜长苏长岩、苏长岩和橄榄苏长岩。全岩高Al₂O₃、低FeO和CaO、正Eu异常、低稀土浓度以及陨石Ni/Co比值等特征，支持其斜长岩或苏长斜长岩成因，并受到撞击改造的影响。

4.3. 其他组分

角砾岩和胶结物中的组分主要包括玄武岩、斜长岩和苏长岩的岩屑和矿物碎屑，以及玻璃质和结晶矿物。玻璃球粒样品显示出低TiO₂和高Al₂O₃特征，不同于阿波罗样品中发现的火山玻璃，但与类KREEP碎屑成分类似。嫦娥六号着陆点两份土壤样品的化学成分相似，以低钛玄武岩为主，含有斜长岩组分贡献。尽管土壤样品显示出低钍浓度，但类KREEP碎屑本身的不相容元素浓度也较低，表明着陆区的KREEP组分可能不如近侧富集。

5. 总结

本研究通过对嫦娥六号返回的月球背面样品进行系统分析，首次在远侧识别出低钛玄武岩、极低钛玄武岩、斜长岩碎屑以及类KREEP物质等多种岩石类型。低钛玄武岩、极低钛玄武岩和苏长斜长岩的年龄和成因已得到初步限定，而类KREEP物质的形成时代和源区特征仍有待进一步研究。这些不同类型的岩屑表明月球远侧存在多期次岩浆活动和化学异质性的地幔源区。研究结果为了解月球远侧的岩浆演化、地幔组成以及月球二分性的成因提供了全新的视角和关键的地球化学依据。后续的同位素研究将有助于精确约束这些物质的形成时代和源区性质，从而深化对月球形成和演化历史的认识。