陨石研究揭示月球背面岩石类型和镁质岩套成因的新证据

原创 凌宗成
行星科学

摘要

不同于Apollo、Luna、嫦娥五号等探月任务返回的月球样品，月球陨石因撞击过程来自月表的随机区域，包含了来自不同月表区域的岩屑、矿物碎屑及火山物质。月球陨石的实验分析可为月球岩石类型、化学成分的多样性乃至月壳形成和演化过程提供约束。富镁的岩石起源是月球科学乃至月壳成岩模型中的热点和难题，月球陨石中包含富镁的岩屑，但与Apollo样品中的镁质岩套岩石表现出不一样的地球化学特征，能为月壳富镁岩石的广泛分布提供线索。中国科学院比较行星学卓越创新中心、山东大学空间科学研究院行星科学研究中心与中科院紫金山天文台、中科院国家空间科学中心相关人员联合研究，通过详细研究两块镁质月球角砾岩陨石的岩石学和地球化学特征，进一步约束了月壳富镁岩石的成岩机制，为月球背面岩石类型多样性分布提供了新证据。

虽然已有的探月任务已经对月球表面形貌与物质成分、内部结构和空间环境等进行了深入探测，并获得了一系列月球新认识，但受限于月球探测载荷的能力和探测区域，我们对于月球表面的矿物、元素和岩石类型信息认识仍有很大不足。近年来越来越多的月球陨石的发现为此提供了契机。尽管月面源区不如采样样品明确，但这些月球陨石为研究月壳岩石类型多样性和岩浆演化历史提供了了样品支撑和重要线索。
月壳的成岩模型是建立在Apollo和Luna任务从月球正面风暴洋KREEP(KREEP，即富含K、稀土元素和P的物质)地体所采集的样品研究基础上获得的。前人对返回的Apollo样品分析研究表明月壳的原岩主要有四类：亚铁斜长岩（FAN），镁质岩套（Mg-suite），碱性岩套和KREEP玄武岩。然而，月球陨石发现了大量的亚铁斜长岩，却缺乏类似镁质岩套的岩屑，给月壳富镁岩石的成岩模型带来了困扰。早期的月球遥感观测表明镁质岩套岩浆形成的侵入岩可能富集在风暴洋克里普（PKT）地体，主要源于PKT区域内的生热元素提供了足够的热量形成了镁质岩套岩石的母岩浆。随着对Apollo样品中镁质岩套岩石及月球陨石的深入研究，大量的证据揭示了镁质岩套的成岩模型对于KREEP组分在母岩浆形成期间的贡献存疑。月球陨石包含不同类型的岩屑，可能会对镁质岩套岩浆高镁的成因及其在月壳分布提供额外的证据，也可以为富镁岩石类型的多样性提供样品支持。研究团队针对两块月球陨石NWA 11111和NWA 11460开展了详细的岩石学、矿物学和地球化学研究，深入理解月壳岩石类型的多样性及月壳“富镁”的本质。

图1 月球陨石NWA 11111和NWA 11460

月球角砾岩陨石NWA 11111月球陨石NWA 11111是一块相对富铝的斜长质角砾岩。该陨石包含多种类型的岩屑，包括长石质岩屑、富镁铁质岩屑、麻粒岩、冲击熔融角砾岩、少量玄武岩岩屑，以及高度演化的岩屑（图1和图2）。岩屑和矿物碎屑胶结在重结晶的细粒基质中，镁铁质矿物化学特征及岩屑类型都表明该陨石来自月球。另外，全岩化学成分表明，NWA 11111是一块典型的长石质月球陨石，与月球Lunar Prospector所获得的地球化学数据进行的比较表明，这块陨石很有可能来自于月球背面的长石质高地地体（图3）。NWA 11111陨石中的辉石中广泛出现的出溶特征，计算表明该陨石含有从月表以下约10公里的月壳成分。陨石中普遍存在镁质斜长岩岩屑，表明镁质斜长岩可能是月球背面壳层的一种重要岩石类型。NWA 11111中的玄武岩碎屑包含了极低钛到低钛月海玄武岩的范围，代表了月球背面的隐月海物质。从全岩成分来看，尽管NWA 11111全岩不相容元素含量较低、不具有KREEP的地球化学特征，但含有多种SiO2相和高度演化岩屑，这些物质可能是月球背面某个岩体演化晚期的产物。

图2 NWA 11111岩屑及其稀土配分模式

月球角砾岩NWA 11460NWA 11460是一块长石质月壤角砾岩陨石，主要包含镁铁质岩屑、麻粒岩、撞击熔融岩屑和角砾岩等。部分镁铁质岩屑和麻粒岩的化学成分表现出高镁的趋势（Mg#>75），其主量元素成分非常类似于镁质岩套岩石/镁质斜长岩，但是稀土化学与亚铁斜长岩具有很高的相似性，推测其原岩可能是镁质斜长岩。研究借鉴前人的研究方法，利用NWA 11460全岩成分，通过与月球遥感化学数据（LP GRS的FeO和Th）相匹配，揭示NWA 11460可能来源于月球背面的小撞击坑溅射（图3）。依据前人对镁质岩套岩石的成岩模型及与镁质斜长岩联系的理解，NWA 11460中富镁岩屑的岩石学和地球化学成分数据表明月球背面的镁质斜长岩是月球背面的主要岩石类型之一。部分的月球角砾岩陨石也观测到这种独特的富镁岩屑，完全不同于Apollo镁质岩套岩石，具有高镁低不相容元素特征，斜长石An牌号普遍较高（An>90），缺乏富碱性的斜长石，在矿物学上表现出独特性，有可能是月球背面月壳岩石的典型代表。

以上研究进一步证实了月球背面岩石类型的多样性，包含亚铁斜长岩、镁质斜长岩、镁质麻粒岩、月海玄武岩及可能的深成岩。遥感探测及陨石研究表明月球背面的岩石类型主要是镁质的，然而大规模富镁的岩石类型仍尚未确定，这源于缺少背面的月球实地采样。两块月球陨石NWA 11111/11460的地球化学研究间接证实了镁质岩套岩浆可能是全球性的，而PKT区域的KREEP组分可能会促进这种熔体的产生，形成具有富Th的镁质岩套岩石。