我所何琦博士关于嫦娥五号月壤中橄长岩的相关研究成果发表在行星科学国际主流期刊《Icarus》上，论文的第一作者和通讯作者为中国地质大学（武汉）何琦博士。合作者包括香港大学钱煜奇博士，南京大学惠鹤九教授，希腊农业大学Ioannis Baziotis副教授，中科院地化所的李阳研究员，南京古生物所殷宗军和中国地质大学（武汉）肖龙教授，汪在聪教授，骆必继副教授，硕士生曹治和李毅恒。该研究得到了国防科工局民用航天技术预先研究项目（D020205，D020201）和中国地质大学（武汉）优秀青年团队项目（G1323523042）资助。我们衷心感谢中国国家航天局(CNSA)提供嫦娥五号月壤样品CE5Z0204YJFM002。

论文下载链接：https://doi.org/10.1016/j.icarus.2023.115853

摘要：中国的嫦娥五号任务采集的月壤主要为本地的月海玄武岩，也包含少量各种其他来源的组分，如来自远离着陆点的月球高地上挖掘的撞击坑的溅射物。这些外来溅射物质提供了探讨嫦娥五号任务采样的月海玄武岩以外的月球地壳组成的宝贵信息。在本研究中，我们在嫦娥五号钻取月壤中发现了特殊的橄长岩质麻粒岩（或橄长岩）。该橄长岩不同于以往的Apollo的镁质岩套的样品，对了解月球早期地壳的形成和演化有重要意义。

古老月壳包含了探讨月球早期演化历史中岩浆分异演化的宝贵信息(Shearer et al., 2006)。非月海玄武岩成因的火成岩岩石，如亚铁斜长岩(FAN)和镁质岩套 (Mg-suite)在探讨月球早期分异演化历史尤为重要(Papike et al.,1998; Wieczorek et al., 2006)。其中亚铁斜长岩被认为代表原始月壳，直接起源于月球岩浆海，占月球高地的大部分(~80%)(Wieczorek et al., 2006)。另一方面，镁质岩套是富镁的深成岩，镁质岩套可能起源于月球下地壳，月球表面很少出露（McCallum and Schwartz, 2001），只占月球样本的一小部分(在Apollo计划带回的381.7公斤样本中约占0.7%)(Wieczorek et al., 2006)。早期研究表明，镁质岩套岩浆活动受到KREEP岩浆的强烈影响，其分布与风暴洋地体PKT (Procellarum KREEP Terrain)密切相关。然而，一些月球陨石的微量元素地球化学研究(Gross et al.,2020;Takeda et al., 2006;Treiman et al., 2010)和地球化学模型(Prissel and Gross, 2020)表明，镁质岩套也可以从贫KREEP岩浆中结晶，这表明镁质岩套岩石的分布可能是在整个月球范围内。

前人对嫦娥五号月壤的研究表明，嫦娥五号月壤样品主要是本地月海玄武岩物质的风化产物，仅有少部分物质(<10%)来自远处撞击坑的溅射物（Qian et al., 2021a; Li et al., 2022）。但是少量的来自远处撞击坑的溅射物更能代表了月壳的信息。嫦娥五号月壤拉曼光谱分析表明，月壤中微量非本地物质(5-7%)主要为富Mg岩石或矿物(Mg # >70;Cao et al., 2022)。少量钙长石和碎屑也被认为可能来自古老的月壳高地（Sheng et al., 2022）。最近，Zeng et al.(2023)也从3000多个月壤颗粒(表取样)中鉴定出7个外来的岩石碎屑。这些外来组分提供了认识月壳复杂演化历史的重要材料。

我们在嫦娥五号月壤样品中发现了两个橄长质麻粒岩碎屑。对其中的一个岩屑进行了详细的岩石学和地球化学分析，并与月球陨石中发现的橄长质麻粒岩进行了比较，并探讨其岩石成因。

图1 HQ002,12岩屑元素面扫图，白线圈出了富镁的橄长岩岩相。

岩屑HQ002, 12 是一个复合岩屑，包含两种岩相，一个是斜长岩，含一个大的长石晶体和长石质玻璃，一个是橄长岩岩屑（图1）。其中橄长岩岩屑，大小为200×400 μm，呈花岗变晶结构。其模式丰度为斜长石(64.6 vol.%)，橄榄石(23.7 vol.%)，斜方辉石(8.4 vol.%)，单斜辉石(3.2 vol.%)，微量铬铁矿和陨硫铁(0.1 vol.%)。按照Stöffler et al.(1980)的分类标准，该岩屑为一斜长岩质橄长岩。橄榄石和辉石颗粒(5 ~ 25µm)大致相等，分布在斜长石为主的粗粒基质中。大多数斜长石，尤其是那些直径约40-70µm的斜长石，边缘呈圆形。一些残存的火成岩结构明显可见(图2)。

图2 HQ002,12岩屑扫描电镜岩相照片

橄长岩岩屑矿物在化学成分上是均匀的。橄榄石具有高的Fo（74.7-76.5），略低于富Mg麻粒岩月球陨石NWA 5744 (Fo78.0-82.1)和NWA 10401 (Fo79.2-84.3) (Kent et., 2017;Gross et al.，2020)，但高于富铁麻粒岩NWA 3163(Fo57.9)(Hudgins et al., 2011)。斜方辉石的组成为En76.5-77.7Fs19.2-19.8Wo2.9-4.1;单斜辉石的组成为En48.3-50.2Fs8.6-10.9Wo38.9-42.2。这两种辉石与NWA 10401等其他富Mg麻粒岩中辉石成分几乎相似(图3，Gross et al., 2020)。斜长石的组成范围为An94.1 ~ 97.9。副矿物以尖晶石群矿物为代表。尖晶石群矿物为钛铬铁矿，通常粒径很小(1 ~ 3μm)，产于斜长石中或与橄榄石矿物伴生。铬铁矿的组成为Chr61.2-70.0Sp20.1-24.2Ulv6.6-16.7，其中Al2O3 (9.66-11.9 wt%)、TiO2 (2.54-6.45 wt%)、Cr2O3 (45.1-50.4 wt%)和FeO (27.7-30.7 wt%)含量不等。

图3 橄长质岩屑的矿物成分以及与月球陨石NWA 10401对比

研究团队利用LA-ICPMS分析获取了HQ002,12橄长岩的平均组成，其SiO2、CaO、TiO2和Th的平均组成分别为45.4wt%、12.wt0%、0.2wt%和0.1 ppm。HQ002,12的Mg#为76，低于NWA 5744 (79 ~ 80; Kent et al., 2017; Korotev和Irving, 2016)和NWA 10401(82，迄今为止已知的陨石样本中Mg#最高的; Gross et al., 2020)。HQ002,12的稀土元素模式显示贫KREEP特征，与月球陨石NWA 5744、NWA 10401相似，而不同于Apollo镁质岩套的稀土特征（图4）。轻稀土和重稀土均呈平态，Eu呈正异常。其中HQ002,12的稀土模式与NWA 5744最相似，而NWA 10401的稀土含量更低。斜长石相对于重稀土元素(HREE)富集轻稀土元素(LREE) (球粒陨石标准化La/Yb比值为17.9，图4)，并具有Eu正异常，显示典型的月球高地亚铁斜长岩（FAN）的特征。

图4橄长岩的全岩稀土模式图和斜长石的稀土模式图

HQ 002,12与月球陨石(麻粒岩)以及Apollo镁质岩套具有相同的结构，其中的差别在于它的粒径特别细小。另一个区别是，陨石中几乎所有的斜长石都转化为熔长石(Treiman et al., 2010; Kent et al., 2017; Gross et al., 2020)，而HQ002,12中的斜长石仍然是结晶的。只有少数颗粒在碎屑边缘转化为熔长石。

关于镁质岩套的成因模型，主要包括两类，减压熔融模型和混合杂化模型。Prissel和Gross(2020)提出，镁质岩套的初始岩浆通过月幔橄榄岩的减压熔融，可以形成贫KREEP组分岩石（本研究观察到的），也可以与月壳或KREEP物质发生二次混染作用，形成含尖晶石的橄长岩或稀土含量高的样品。此外，Prissel等(2014, 2016)实验表明，富镁月幔堆积物+ 亚铁斜长岩（FAN）月壳产生的熔体一般产生的是含低Cr和高Al尖晶石的镁质岩套，这与本文观察到的不符。HQ002, 12碎屑中铬铁矿(不是尖晶石)的存在支持了典型的月幔橄榄岩的减压熔融的产物，如Prissel和Gross(2020)所模拟的熔体。Ju等（2021）认为月幔物质减压熔融形成的熔体通过平衡结晶可以形成镁质岩套，并满足样品中橄榄石 Cr2O3 含量的制约。我们通过MELT模拟计算，显示月幔物质减压熔融形成镁质岩套岩浆进一步发生分离结晶可以产生我们观察到的橄长岩。

HQ002,12岩屑最可能的来源陨石坑是位于嫦娥五号着陆点北部的毕达哥拉斯陨石坑(图5)，直径约为145公里。毕达哥拉斯陨石坑的溅射物可能沉积在嫦娥五号着陆点下方埃拉托斯特尼纪和雨海纪月海玄武岩之间，厚度约为1.7米（Qian et al., 2021c）。随后，古溅射物被后期的撞击溅射传送到嫦娥五号着陆点。HQ002,12很可能是最初位于100多公里外的毕达哥拉斯陨石坑，也表明了镁质岩套在PKT之外的位置存在。此外，HQ002,12岩屑矿物粒径较细，揭示了其较快的冷却速率，可能形成于近月表的位置。

图5 岩屑最可能的来源是位于嫦娥五号着陆点北部的毕达哥拉斯陨石坑