嫦娥五号年轻月海玄武岩揭示月球地幔干燥储层——Nature最新研究解析

作者及发表信息
本研究由Sen Hu、Huicun He、Jianglong Ji、Yangting Lin（通讯作者）等来自中国科学院地质与地球物理研究所、南京大学、英国开放大学、曼彻斯特大学等机构的国际团队完成，发表于Nature期刊2021年12月2日第600卷。研究基于嫦娥五号（Chang’e-5, CE5）返回的月壤样品，首次揭示了20亿年前月球火山活动的低水含量特征。

学术背景
月球内部水的分布对理解其起源（如大碰撞假说）、月球岩浆洋（Lunar Magma Ocean）结晶过程及火山活动持续时间具有关键意义。长期以来，月球被认为极度贫水，但近年微区分析技术（如纳米离子探针NanoSIMS）发现部分月球样品（如玄武岩熔体包裹体、磷灰石）含微量水。嫦娥五号采样区域位于月球西北部的Procellarum KREEP Terrane (PKT)，该区域以富集铀（U）、钍（Th）等产热元素著称，且可能存在水的富集。研究旨在通过CE5玄武岩样品，厘清月球最年轻火山活动的水含量及其地幔源区特征。

研究流程与实验方法

1. 样品制备与矿物学分析

   • 样品来源：CE5任务返回的1.731 kg月壤中，选取23个玄武岩碎屑（0.2–1.5 mm），来自两份土壤样品（CE5C0100YJFM00103和CE5C0400YJFM00406）。
     
   • 矿物表征：通过场发射扫描电镜（FE-SEM）和电子探针（EPMA）分析样品矿物组成，发现其主要由辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿组成，含少量磷灰石（平均体积占比0.4%）。钛铁矿中发现了4–50 μm的熔体包裹体（Melt Inclusions），部分经历后期结晶（0–52%）。
     

2. 水含量与氢同位素分析

   • 实验技术：采用NanoSIMS 50L原位测定磷灰石和钛铁矿熔体包裹体的水含量（H₂O）和氢同位素（δD）。
     
   • 标样校正：使用Kovdor磷灰石、Durango磷灰石、SWIFT MORB玻璃等标样建立校准曲线，并扣除宇宙射线散裂（Spallation）效应（假设暴露年龄50 Ma）。
     
   • 关键数据：
     
     • 熔体包裹体水含量为6–370 μg/g（校正后），δD值范围为−330‰至869‰；
       
     • 磷灰石水含量为555–4,856 μg/g（平均1,921 μg/g），δD为275–1,022‰。
       

3. 母岩浆与地幔源区水含量估算

   • 母岩浆：最贫氘（δD≈−330‰）的熔体包裹体指示母岩浆最大水含量为283±22 μg/g，经H₂去气后残余水为7±3 μg/g（通过磷灰石模态计算）。
     
   • 地幔源区：结合低程度部分熔融（2–3%）和高度结晶分异（43–88%）模型，推算CE5玄武岩地幔源区水含量仅为1–5 μg/g，显著低于阿波罗样品（0.3–200 μg/g）。
     

主要结果与逻辑链条
1. 熔体包裹体记录去气过程：水含量与δD的负相关（图2）表明岩浆上升过程中H₂去气导致氘富集，最贫氘值（−330‰）接近月球地幔初始特征。
2. 磷灰石结晶晚阶段特征：高δD磷灰石反映残余熔体极度富氘，印证去气模型的合理性。
3. 地幔脱水趋势：CE5地幔源区（1–5 μg/g）比更古老的阿波罗样品（4.0–2.8 Ga）更贫水，表明PKT区域长期火山活动导致地幔通过熔体提取逐渐脱水。

结论与科学意义
1. 月球年轻火山活动非水驱动：CE5玄武岩的喷发并非由其地幔源区高水含量引发，挑战了“水降低熔点延长火山活动”的传统假设。
2. 月球内部水分布不均：水含量的时空差异（图3）可能反映月球地幔不均一性或KREEP组分混染的影响。
3. 技术突破：NanoSIMS微区分析结合熔体包裹体与磷灰石多相验证，为行星挥发分研究提供新范式。

研究亮点
1. 样本独特性：CE5样品（2.0 Ga）是迄今最年轻的月球玄武岩，填补了月球火山活动晚期记录的空白。
2. 方法创新：首次在钛铁矿熔体包裹体中测定水含量，规避了橄榄石/辉石包裹体易扩散氢的问题。
3. 理论挑战：提出PKT地幔长期脱水模型，为月球热-化学演化提供新约束。

补充价值
研究数据已公开于Zenodo（DOI:10.5281/zenodo.5341793），为后续月球探测（如Artemis计划）的挥发分研究奠定基础。