嫦娥五号玄武岩的混合地幔来源：来自橄榄石超微量元素比值的启示

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：A hybrid mantle source for Chang’E-5 basalt: insights from ultra-trace element ratios of olivine

　　

杜成宇|张少林|惠和久|梁婷|李万才|郑永飞

中国科学技术大学地球与空间科学学院地质圈与环境协同演化国家重点实验室，合肥230026，中国

摘要

中国的嫦娥五号（CE-5）月球任务采集到了已知最年轻的月海玄武岩，其特征是镁含量（Mg#）较低，而难熔元素含量较高。然而，其地幔源的性质仍存在争议。在此，我们对CE-5玄武岩碎屑中的橄榄石和辉石的主要和微量元素进行了原位分析，以确定其岩浆形成过程和地幔来源。研究结果表明，辉石中的Ti#（Ti/(Ti?+?Cr)比值在早期阶段急剧升高，随后保持稳定，这表明CE-5玄武岩经历了广泛的分数结晶作用。橄榄石中几乎恒定的Ti含量表明钛铁矿在橄榄石镁含量约为60%时就已经开始结晶。通过与最富橄榄石的熔体平衡计算得出的TiO₂和Cr₂O₃含量分别为6.06?±?0.77?wt%和0.516?±?0.089?wt%。随着橄榄石镁含量的降低，辉石中的LREE/HREE比值、Zr/Y比值和Al含量也相应降低，而橄榄石早期Zr/Y比值的降低则表明熔体具有较高的Zr/Y比值。结合先前报道的同位素数据，理论模型支持一种由斜方辉石组成的混合地幔源模型，其中包含少量含钛铁矿的累集物（IBC，0.40–0.55%）和KREEP（0.11–0.15%）。这种地幔源解释了年轻月海岩浆活动的地质动力学机制，即富含IBC的热柱从核幔边界上升，加热了含有少量IBC和KREEP的上地幔，使其熔化。

引言

嫦娥五号（CE-5）采集到的玄武岩位于月球近侧的风暴洋KREEP（一种钾[K]、稀土元素[REE]和磷[P]富集区域，简称PKT）中，是迄今从月球返回的最年轻的月海玄武岩，其Pb-Pb年龄约为20亿年（Che等人，2021年；Li等人，2021年；Zhou等人，2023年）。这一发现为我们研究月球地幔的成分和结构以及月球的热演化提供了机会。返回的月球土壤和玄武岩碎屑具有几乎相同的成分（Zong等人，2022年）：高FeO含量（>20?wt%），低镁含量（Mg#，molar Mg/(Mg?+?Fe)约30），中等TiO₂含量（约5?wt%），高Ca/Al比值（约1），高难熔微量元素含量（约5 ppm的Th），以及典型的KREEP稀土元素（REEs）分布和负Eu异常（Li等人，2022年；Zong等人，2022年；Tian等人，2021年；He等人，2022年；Jiang等人，2023年；Wang等人，2024a），表明月表物质主要由玄武岩构成。这种低镁含量和富集的微量元素特征在阿波罗和月球采样中较为罕见，表明这种年轻的月海玄武岩具有独特的岩浆成因。

关于CE-5玄武岩岩浆成因的两个关键问题是：（1）对于这种20亿年的月海玄武岩来说，Fe-Ti氧化物是否是其液相线矿物？（2）CE-5玄武岩的地幔来源是什么？对于第一个问题，不同玄武岩碎屑的整体TiO₂含量约为5.1?wt%，这使得CE-5玄武岩被归类为低至中等Ti含量的玄武岩。根据橄榄石中Ti含量随Fo（钛铁矿）值的变化趋势，Zhang等人（2022年）估计原始熔体的Ti含量为4.4%，表明这是一种低Ti含量的熔体。此外，Wang等人（2024a）发现CE-5玄武岩辉石的Hf-Nd同位素组成位于阿波罗低Ti玄武岩的演化趋势上。然而，CE-5玄武岩辉石的Ti#（molar Ti/(Ti?+?Cr)比值却处于高Ti玄武岩区间，且其演化趋势与高Ti玄武岩辉石一致（Jiang等人，2022年；Fu等人，2022年；Tian等人，2023a；Wang等人，2024a）。

对于第二个问题，目前提出了多种地幔源模型，包括：（1）在月球 magma ocean（LMO）结晶过程中86%已结晶的固体（PCS）与少量瞬时残留液体（TIRL）的混合体（Tian等人，2021年）；（2）早期橄榄石/斜方辉石LMO累集体与晚期含钛铁矿的累集体（IBC）的混合体（Su等人，2022年；Su等人，2023年；Jiang等人，2023年）；以及（3）纯晚期的含钛铁矿辉石累集体（Wang等人，2024b）。CE-5玄武岩地幔来源的复杂性掩盖了其原始熔体的成分和月球地幔来源。为解决这一问题，我们分析了七个CE-5玄武岩碎屑中的橄榄石和辉石的主要和微量元素含量，特别是之前未研究过的橄榄石的超低微量元素含量，以重建CE-5玄武岩的分数结晶过程和原始熔体的成分。结合先前的全岩成分和同位素数据，我们发现CE-5玄武岩的地幔来源很可能是由约99.30–99.49%的早期斜方辉石累集体、约0.40–0.55%的晚期IBC和约0.11–0.15%的KREEP组成的混合物。年轻的月球火山活动可能是由于IBC和早期累集体的混合物从核幔边界（CMB）上涌，加热了上地幔中的IBC富集区域而引发的。

节选

电子探针微分析

在中国科学技术大学地质圈与环境协同演化国家重点实验室，使用JEOL JXA-8530F电子探针微分析仪测量了橄榄石和辉石中的主要元素（Si、Mg、Fe）及次要元素（Mn、Ni、Ca、Ti、Al、Cr、Na）。样品在两次测量中进行了分析。第一次测量时，电流为10nA，电子束直径为1或2?μm，具体取决于颗粒大小和可用的清洁表面。

岩石学特征

本研究分析了八块玄武岩碎屑，其中四块具有亚辉长岩结构，两块具有包晶结构，一块具有等粒结构，一块具有斑状结构（见图S2）。玄武岩碎屑主要由斜长石、单斜辉石、橄榄石和钛铁矿组成，含有少量尖晶石和基质。在亚辉长岩样品中，斜长石呈高度自形的片状结构，形成三角形框架（见图S2a、b、c、d）。辉石通常形状不规则。钛铁矿的

矿物的结晶顺序

由于CE-5玄武岩的镁含量较低且难熔元素含量较高，普遍认为它经历了广泛的分数结晶作用（例如，Tian等人，2021年；Luo等人，2023年；Fu等人，2022年）。然而，关于其结晶顺序仍存在争议。虽然橄榄石通常被认为是原始镁铁质熔体的液相线矿物（Luo等人，2023年；Li等人，2023年），但斜长石和辉石的相对结晶顺序仍存在争议。

结论

本研究中的八块CE-5玄武岩碎屑与以往报道的样本总体相似，除了其中一块由粗粒橄榄石和斜长石组成的等粒颗粒。辉石中的Ti#变化模式表明CE-5玄武岩不是高Ti含量的玄武岩。橄榄石中的Ti含量基本保持稳定，而大多数难熔元素随着橄榄石镁含量的降低而增加。橄榄石中Zr/Y比值的降低反映了钛铁矿的分数结晶作用。

数据获取

数据可通过Mendeley Data获取：https://doi.org/10.17632/77bp9wkzwx.2

未引用的参考文献

Anders和Grevesse，1989年；Leitzke等人，2016年；Mallmann等人，2013年；Neal，2001年；Shearer等人，1991年；Wu等人，2025年；Zhang和Yang，2024年。

CRediT作者贡献声明

杜成宇：负责写作——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、方法论设计、实验实施、数据分析以及数据管理。张少林：负责写作——审稿与编辑、验证、项目监督、资源协调、方法论制定、资金申请以及概念构思。惠和久：负责写作——审稿与编辑。梁婷：负责写作——审稿与编辑、资源协调、方法论设计、实验实施。李万才：负责写作——审稿与编辑、资源协调

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了
中国科学院（项目编号：XDB0710000）的战略优先研究计划（B类）和
国家自然科学基金（项目编号：42472256）的支持。月球样品由
中国国家航天局提供。我们感谢编辑***以及审稿人***和***提供的建设性意见。