发布时间：2025-04-29浏览次数：10
月球上除了玄武岩、斜长岩和角砾岩，还存在一些镁质岩套和碱性岩套，被认为是在月球早期“岩浆洋”的结晶过程中，月壳建造的早阶段产物，属于深成岩到超深成岩。在美国阿波罗返回样品中，所发现的镁质岩套和碱性岩套大都小于1克，但遥感观察表明，镁质岩套和碱性岩套在月表可能广泛分布，暗示月球上这种深成岩可能是一个全（月）球岩浆事件的结果。囿于目前人类所获取的月球返回样品的采样点局限性，样品数量稀少，能定年的样品更少，限制了对月球早期这类岩石成因的深入研究。
锆石由于铀-铅（U-Pb）体系封闭温度高、半衰期长、铀富集、普通Pb含量低等特点，是地球上古老岩石和矿物定年的最常用矿物。尽管月球样品中锆石相对稀少，但先前研究在月球的角砾岩、镁质岩套、碱性岩套中均有少量发现。国内研究团队在嫦娥五号月壤中发现了3颗锆石（ca. 2036 ± 19 Ma，Ma指百万年前；即20.36 ± 0.19亿年），被认为是嫦娥五号玄武岩熔体局部高度分异后结晶形成(Zhou et al., 2023)。早期在阿波罗样品的角砾岩中发现的锆石碎屑，尽管缺乏母岩信息，但通常被认为来自于月球镁质岩套或碱性岩套，主要理由包括：（1）锆石的结晶需要岩浆中Zr的饱和，镁质岩套或碱性岩套的岩浆相对富集不相容元素，更可能结晶出锆石；（2）在一些镁质岩套或碱性岩套岩石中已经发现了锆石，并且在部分角砾岩中锆石与具有镁质/碱性岩套特征的造岩矿物共生；（3）阿波罗样品中的锆石记录了43.3~43.5亿年的年龄峰，与镁质岩套和碱性岩套的年龄一致。因此，阿波罗样品中的锆石数据为研究镁质岩套和碱性岩套的成因和时空分布以及月球早期的岩浆活动提供了重要信息。
嫦娥五号着陆于月球正面风暴洋北部的吕姆克山脉以北地区，由于着陆点与以往所有的采样点不同，为深入理解月球演化提供了新的契机。南京大学地球科学与工程学院关键地球物质循环与成矿全国重点实验室骨干王孝磊教授及其团队博士研究生丁晨龙在嫦娥五号月壤样品研究过程中，发现了一颗粒径超过10微米的锆石颗粒。这颗锆石的年龄是多少？它是否与嫦娥五号玄武岩存在联系？或是代表了外来的岩屑？带着这些科学问题，研究团队对该锆石颗粒开展了年代学和地球化学研究，以确定其形成时代和可能来源。
研究发现，该锆石存在于一颗粘合集块岩碎屑中，粒径17μm 8μm，颗粒的一侧显示出自形边界，另一侧呈现弯曲边界，显示可能是一颗更大锆石的碎片（图1）。锆石内部结构简单，在阴极发光图像中仅见几条微弱平行条带，在背散射电子和二次电子图像中没有观察到分带（图1）。锆石颗粒被熔融玻璃质包围，并位于一个大的单斜辉石（粒径约50μm；成分为En10.2-37.5Fs28.3-67.0Wo18.0-39.6）旁边，在辉石颗粒边缘还可以看到斜长石（成分为An78.4-80.7）。这些辉石和斜长石的成分落在了嫦娥五号玄武岩报道的矿物成分范围，并显示出相似演化趋势（图2），表明来源亲缘性。
图1.嫦娥五号月壤CE5C0600YJFM00501样品中含锆石碎屑的扫描电镜图像。(a)粘合集块岩碎屑的背散射电子图像(b)锆石颗粒的背散射电子图像，黄色圆圈显示了U-Pb定年的分析位置。(c)锆石的阴极发光图像，显示锆石内部微弱的分带。(d)锆石的二次电子图像。
图2.嫦娥五号月壤样品含锆石碎屑中的辉石和长石成分。(a)含锆石碎屑中的辉石成分与嫦娥五号玄武岩中辉石成分的对比。(b)含锆石碎屑中的长石成分与嫦娥五号玄武岩中长石成分的对比。黄色区域显示了矿物成分的范围(Li et al., 2022)。相似的矿物成分和演化趋势表明，该岩屑中的矿物来源于嫦娥五号本地玄武岩，而非锆石母岩。
团队用离子探针（SIMS）对锆石开展原位U-Pb定年。结果显示，其上交点年龄为4311 ± 35 Ma (43.11 ± 0.35亿年)；207Pb/206Pb加权平均年龄4299 ± 12 Ma (42.99 ± 0.12亿年)。该年龄明显老于嫦娥五号本地玄武岩的Pb-Pb定年以及嫦娥五号月壤样品中年轻锆石的定年结果。综合显微结构、周围矿物成分和锆石年龄结果，揭示这颗古老锆石不是来自嫦娥五号本地的月海玄武岩，而是一颗外来碎屑，该碎屑在月壤形成过程中与本地玄武岩碎屑被撞击产生的玻璃黏结在一起。
图3.嫦娥五号月壤CE5C0600YJFM00501样品中锆石U-Pb定年结果(a)锆石的三个分析点的上交点年龄4311±35Ma (43.11±0.35亿年，2σ) (b)207Pb-206Pb加权平均年龄4299±12 Ma (42.99±0.12亿年，2σ)
本研究发现的这颗古老锆石的年龄与阿波罗样品中报道的锆石年龄吻合，指示两者很可能具有类似起源。为进一步推断该锆石的母岩，团队使用实验室的先进SIMS仪器测定了锆石微量元素，并计算了锆石结晶温度和与锆石平衡母岩浆的稀土元素含量。分析认为，该锆石更可能起源于镁质岩套，主要依据：（1）基于不同活度系数，锆石结晶温度分别为1324 ± 89℃ (Crow et al., 2017)和1144 ± 68℃ (Trail et al., 2020)，均明显高于地球锆石，且这颗锆石缺乏通常在地球岩浆锆石中发育的振荡环带，指示锆石的母岩浆可能具有富镁、贫水、低黏度和高固相线温度的特征；（2）计算得出该锆石的母岩浆稀土元素含量与月球岩浆洋的结晶产物（如克里普玄武岩、亚铁斜长岩）、嫦娥五号玄武岩不同，也明显低于月球花岗岩/霏细岩样品、石英二长岩和大部分碱性岩套辉长岩和苏长岩。碱性岩套斜长岩具有明显正Eu异常，也不太可能作为该锆石的母岩（图4）。相反，该锆石母岩浆的稀土元素含量与大部分镁质岩套相似，较大的Eu负异常可能指示锆石在母岩浆中结晶较晚。因此，锆石的化学特征表明锆石更可能起源于镁质岩套。
图4.嫦娥五号月壤样品锆石及其母岩浆的稀土元素球粒陨石归一化图解。(a)嫦娥五号月壤样品中的锆石与阿波罗样品中的月球锆石的球粒陨石归一化稀土元素含量对比。SIMS分析点的位置用黄色圆圈标出。(b-f)嫦娥五号锆石计算的母岩浆的稀土元素含量与(b)嫦娥五号玄武岩，嫦娥五号月壤，KREEP玄武岩，亚铁斜长岩，(c)镁质岩套，(d)碱性岩套，(e)石英二长岩，(f)花岗岩/霏细岩的对比。
对于嫦娥五号月壤中发现的古老锆石来历，提出了三种可能，并进行了讨论。
（1）嫦娥五号采样点附近的岩性序列的下部存在古老物质，被撞击挖掘并带到嫦娥五号采样点。但这种可能性相对较低，因为在年轻玄武岩（Em4）下伏有厚度约900米的较老玄武岩单元（Em3）。因此，预计千米级大小的陨石坑才会挖掘出与锆石年龄相当的岩石基底。
（2）嫦娥五号玄武岩单元下方存在一个古溅射物层（来源于毕达哥拉斯坑，~10米），其中可能包含了月球早期物质。因此这颗锆石碎片可能是作为溅射物运送到嫦娥五号着陆区下方，并被较年轻撞击作用挖掘并再循环到嫦娥五号采样点（图5）。
（3）嫦娥五号邻近高地和附近较大的陨石坑可能向嫦娥五号采样点输送溅射物（图5）。这颗古老锆石碎片可能反映了受多次撞击，但最终来源于雨海盆地的复杂历史。其中一些比雨海撞击更年轻的撞击可能会循环雨海盆地早期的溅射物，而其他撞击可能击中了镁质岩套露头，并运送至嫦娥五号采样点。
图5.嫦娥一号地图显示的嫦娥五号采样点和邻近地区，说明所研究锆石的可能来源。图上标出了一些阿波罗采样点和这些采样点中的镁质岩套年龄。绿色正方形代表了遥感观测在雨海盆地北部发现的镁质岩套(Klima et al., 2011)。白色箭头标出了高地物质可能的迁移方向。白色虚线标出了风暴洋东北部高地的边界。
无论是通过撞击的多次循环，还是从含有母岩的露头直接传递，这颗古老锆石表明，其母岩的原始位置很可能在雨海盆地西北部或者西南部，意味着镁质岩套可能在风暴克里普地体广泛分布，其岩浆活动可能在月球正面甚至全月同时发生。此外，锆石年龄进一步证实了月球43亿年的锆石年龄峰值，并与早期月壳建造时间重叠，可能反映了这一时期月球上广泛的岩浆活动，为研究月球早期岩浆活动提供了一个新视角。
上述成果近日以“Evidence of 4.3 Ga Mg-suite magmatism in the western Procellarum KREEP Terrane provided by zircon from Chang’e-5 regolith”为题在线发表于国际行星科学著名期刊《Journal of Geophysical Research-Planets》。博士研究生丁晨龙为论文第一作者，王孝磊教授为论文通讯作者。论文合作者还包括澳大利亚科廷大学Alexander Nemchin教授，南京大学关键地球物质循环与成矿全国重点实验室的管跃、田兰兰和解文俐。本研究得到了国家自然科学基金（42025202，42241121）和关键地球物质循环与成矿全国重点实验室的联合资助。
Crow, C. A., McKeegan, K. D., & Moser, D. E. (2017). Coordinated U–Pb geochronology, trace element, Ti‐in‐zircon thermometry and microstructural analysis of Apollo zircons. Geochimica et Cosmochimica Acta, 202, 264–284.https://doi.org/10.1016/j.gca.2016.12.019
Ding, C.‐L., Nemchin, A., Wang, X.‐L., Guan, Y., Tian, L.‐L., & Xie, W.‐L. (2025). Evidence of 4.3 Ga Mg‐suite magmatism in the western Procellarum KREEP Terrane provided by zircon from Chang'e‐5 regolith. Journal of Geophysical Research: Planets, 130, e2024JE008816.https://doi.org/10.1029/2024JE008816
Klima, R. L., Pieters, C. M., Boardman, J. W., Green, R. O., Head, J. W., III., Isaacson, P. J., et al. (2011). New insights into lunar petrology: Distribution and composition of prominent low‐Ca pyroxene exposures as observed by the Moon Mineralogy Mapper (M3). Journal of Geophysical Research, 116(E6), E00G06. https://doi.org/10.1029/2010JE003719
Li, C., Hu, H., Yang, M.‐F., Pei, Z.‐Y., Zhou, Q., Ren, X., et al. (2022). Characteristics of the lunar samples returned by the Chang'E‐5 mission. National Science Review, 9(2), nwab188. https://doi.org/10.1093/nsr/nwab188
Trail, D., Barboni, M., & McKeegan, K. D. (2020). Evidence for diverse lunar melt compositions and mixing of the pre‐3.9 Ga crust from zircon chemistry. Geochimica et Cosmochimica Acta, 284, 173–195. https://doi.org/10.1016/j.gca.2020.06.018
Zhou, Q., Liu, Y., Yang, S., Li, Q.‐L., Chen, Y., Zhang, G., et al. (2023). The youngest lunar zircon reveals an extremely fractionated nature of Chang'e‐5 basalt. Geochimica et Cosmochimica Acta, 358, 126–133. https://doi.org/10.1016/j.gca.2023.08.017