月球研究小組-GCA:嫦娥五號(hào)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(qiáng)度變量,通過(guò)影響變價(jià)元素的價(jià)態(tài),調(diào)控地球與行星的熔融行為及揮發(fā)分的循環(huán)機(jī)制,是理解行星形成與演化的關(guān)鍵參數(shù)。嫦娥五號(hào)玄武巖形成于20億年前,是揭示月球年輕巖漿活動(dòng)成因的關(guān)鍵樣品,但其月幔源區(qū)特征仍存在較大爭(zhēng)議。月球玄武巖是月幔部分熔融的產(chǎn)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(diǎn),通過(guò)估算嫦娥五號(hào)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(jiàn)的變價(jià)元素,橄欖石(Ol),尖晶石(Sp)和斜長(zhǎng)石(Pl)為常見(jiàn)的造巖礦物。橄欖石/熔體、尖晶石/熔體的釩分配系數(shù),以及斜長(zhǎng)石/熔體的銪分配系數(shù)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(biāo)定上述氧逸度計(jì)的實(shí)驗(yàn)溫度和成分變化范圍寬,導(dǎo)致氧逸度計(jì)變化范圍大(圖1)。采用不匹配的氧逸度計(jì)可能導(dǎo)致估算結(jié)果出現(xiàn)顯著偏差甚至錯(cuò)誤。由于已有氧逸度計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件與成分體系與嫦娥五號(hào)玄武巖不一致,無(wú)法直接用于準(zhǔn)確估算嫦娥五號(hào)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(jì),以及斜長(zhǎng)石/熔體銪氧逸度計(jì)。
????為此,本研究以人工合成的嫦娥五號(hào)玄武巖成分作為初始物,利用氣體混合爐開(kāi)展實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)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(duì))。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物進(jìn)行分析,我們建立了適用于嫦娥五號(hào)玄武巖成分的氧逸度計(jì)(圖2)?;谛碌难跻荻扔?jì),估算得到嫦娥五號(hào)玄武巖的氧逸度為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(xiàn)出高氧逸度特征。

圖2.?本研究標(biāo)定的橄欖石/熔體(a)、尖晶石/熔體(b),以及斜長(zhǎng)石/熔體(c)氧逸度計(jì)。?
?嫦娥五號(hào)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(jié)形成,其氧逸度主要受巖漿洋結(jié)晶過(guò)程控制。月幔礦物呈分層結(jié)構(gòu)(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(zhǎng)石、鈦鐵礦、石英等組成?;谠箩5V物的分層特征,我們構(gòu)建熱力學(xué)模型,模擬了月球巖漿洋分離結(jié)晶過(guò)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(jié)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(zhǎng)石中。根據(jù)月幔氧化還原分層模型,嫦娥五號(hào)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(hào)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(guān)。依據(jù)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(cè)高鈦玄武巖應(yīng)比低鈦玄武巖具有更高的氧逸度,該推斷有待進(jìn)一步驗(yàn)證。其次,前人利用X射線吸收譜測(cè)定月球苦橄質(zhì)玻璃珠的Fe3+/FeT比值,最高可達(dá)0.40,并將其歸因于巖漿去氣過(guò)程??紤]到月球玄武巖揮發(fā)分含量低,去氣過(guò)程對(duì)Fe3+/FeT比值的影響有限,我們認(rèn)為淺部月幔高Fe3+/FeT比值物質(zhì)的加入可能是導(dǎo)致苦橄質(zhì)玻璃珠高Fe3+/FeT比值的原因之一。最后,前人在長(zhǎng)石質(zhì)月球角礫巖中發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦,并推測(cè)月球表面存在高度氧化的環(huán)境。根據(jù)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(jìn)了月殼中磁鐵礦的形成。
?本研究通過(guò)高溫高壓實(shí)驗(yàn),建立了適用于嫦娥五號(hào)玄武巖的氧逸度計(jì),估算并確認(rèn)嫦娥五號(hào)玄武巖高氧逸度特征,支持其起源于淺部月幔的認(rèn)識(shí);進(jìn)一步通過(guò)熱力學(xué)模型模擬了月球巖漿洋結(jié)晶過(guò)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(guò)程構(gòu)建了統(tǒng)一框架。?
?本研究由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)合作完成,相關(guān)成果近期發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Geochimica et Cosmochimica Acta,該項(xiàng)研究成果受國(guó)家自然科學(xué)基金(42241140, 42473045, 42273037, 41873067,?42250710679)、中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長(zhǎng)基金(2022SZJJZD-03)和廣州市青年博士“啟航”項(xiàng)目(2024A04J5020)資助。
論文信息:Jintuan Wang (王錦團(tuán)), Hongluo L. Zhang (張宏羅), Le Zhang (張樂(lè)), 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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