月球研究小組-GCA:嫦娥五號玄武巖高氧逸度特征和月球氧化還原分層模型
?氧逸度是描述體系氧化還原狀態(tài)的強度變量,通過影響變價元素的價態(tài),調控地球與行星的熔融行為及揮發(fā)分的循環(huán)機制,是理解行星形成與演化的關鍵參數。嫦娥五號玄武巖形成于20億年前,是揭示月球年輕巖漿活動成因的關鍵樣品,但其月幔源區(qū)特征仍存在較大爭議。月球玄武巖是月幔部分熔融的產物,其氧逸度可用于指示月幔源區(qū)特征。為此,本研究以氧逸度為切入點,通過估算嫦娥五號玄武巖的氧逸度約束其月幔源區(qū)特征。
?釩(V)和銪(Eu)為常見的變價元素,橄欖石(Ol),尖晶石(Sp)和斜長石(Pl)為常見的造巖礦物。橄欖石/熔體、尖晶石/熔體的釩分配系數,以及斜長石/熔體的銪分配系數均隨氧逸度系統(tǒng)變化,是估算巖石氧逸度的常用工具。然而,前人標定上述氧逸度計的實驗溫度和成分變化范圍寬,導致氧逸度計變化范圍大(圖1)。采用不匹配的氧逸度計可能導致估算結果出現顯著偏差甚至錯誤。由于已有氧逸度計的實驗條件與成分體系與嫦娥五號玄武巖不一致,無法直接用于準確估算嫦娥五號玄武巖的氧逸度。

圖1.?橄欖石/熔體(a)和尖晶石/熔體(b)釩氧逸度計,以及斜長石/熔體銪氧逸度計。
????為此,本研究以人工合成的嫦娥五號玄武巖成分作為初始物,利用氣體混合爐開展實驗,實驗溫度為1120-1140 °C,氧逸度介于IW-1.2至IW+3.3(IW,鐵-方鐵礦緩沖對)。通過對實驗產物進行分析,我們建立了適用于嫦娥五號玄武巖成分的氧逸度計(圖2)?;谛碌难跻荻扔嫞浪愕玫芥隙鹞逄栃鋷r的氧逸度為IW+0.12+0.99-0.60(95%置信區(qū)間),位于前人估算的月球氧逸度范圍(IW-2至IW)的高端,表現出高氧逸度特征。

圖2.?本研究標定的橄欖石/熔體(a)、尖晶石/熔體(b),以及斜長石/熔體(c)氧逸度計。?
?嫦娥五號玄武巖高氧逸度指示了怎樣的月幔特征?月幔由月球巖漿洋固結形成,其氧逸度主要受巖漿洋結晶過程控制。月幔礦物呈分層結構(圖3),深部以橄欖石和斜方輝石為主,淺部主要由單斜輝石、斜長石、鈦鐵礦、石英等組成?;谠箩5V物的分層特征,我們構建熱力學模型,模擬了月球巖漿洋分離結晶過程,揭示月幔的Fe3+/FeT及氧逸度自下而上逐漸升高:以橄欖石和斜方輝石為主的深部月幔具有較低的Fe3+/FeT比值和氧逸度,而以單斜輝石為主的淺部月幔具有更高的Fe3+/FeT比值和氧逸度。我們將這一“深部還原,淺部氧化”的特征稱為月幔的氧化還原分層模型。模擬結果還顯示,月殼具有最高的Fe3+/FeT比值,主要由于Fe3+相較于Fe2+更易富集在斜長石中。根據月幔氧化還原分層模型,嫦娥五號玄武巖的高氧逸度特征指示其極可能起源于淺部富輝石月幔。

圖3.?月幔氧化還原分層模型示意圖。
?該模型不僅為嫦娥五號玄武巖的高氧逸度特征提供了合理解釋,還在以下三方面具有重要啟示。首先,高鈦玄武巖的形成與月幔源區(qū)含鈦鐵礦堆晶層的加入密切相關。依據月幔氧化還原分層模型,含鈦鐵礦堆晶層形成于淺部月幔,具有較高的Fe3+/FeT比值和氧逸度,因此我們推測高鈦玄武巖應比低鈦玄武巖具有更高的氧逸度,該推斷有待進一步驗證。其次,前人利用X射線吸收譜測定月球苦橄質玻璃珠的Fe3+/FeT比值,最高可達0.40,并將其歸因于巖漿去氣過程。考慮到月球玄武巖揮發(fā)分含量低,去氣過程對Fe3+/FeT比值的影響有限,我們認為淺部月幔高Fe3+/FeT比值物質的加入可能是導致苦橄質玻璃珠高Fe3+/FeT比值的原因之一。最后,前人在長石質月球角礫巖中發(fā)現了磁鐵礦,并推測月球表面存在高度氧化的環(huán)境。根據月幔氧化還原分層模型,月殼具有高的Fe3+/FeT比值,這可能促進了月殼中磁鐵礦的形成。
?本研究通過高溫高壓實驗,建立了適用于嫦娥五號玄武巖的氧逸度計,估算并確認嫦娥五號玄武巖高氧逸度特征,支持其起源于淺部月幔的認識;進一步通過熱力學模型模擬了月球巖漿洋結晶過程中的氧逸度變化規(guī)律,建立了月幔氧化還原分層模型,為理解月球氧化還原狀態(tài)和過程構建了統(tǒng)一框架。?
?本研究由中國科學院廣州地球化學研究所和中國地質大學(北京)合作完成,相關成果近期發(fā)表于國際知名學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta,該項研究成果受國家自然科學基金(42241140, 42473045, 42273037, 41873067,?42250710679)、中國科學院廣州地球化學研究所所長基金(2022SZJJZD-03)和廣州市青年博士“啟航”項目(2024A04J5020)資助。
論文信息:Jintuan Wang (王錦團), Hongluo L. Zhang (張宏羅), Le Zhang (張樂), Yonghua Cao (曹永華), Zhendun Qi (戚珍鐓), Pengli He (賀鵬麗), Mang Lin (林莽), Yi-Gang Xu (徐義剛). 2026. The high oxygen fugacity of the Chang’e-5 lunar basalt: Implications for redox stratification of the lunar mantle. Geochimica et Cosmochimica Acta 417, 230-240. doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.046.

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