空间中心科研人员在嫦娥五号月球玄武岩演化研究方面取得新进展

我国嫦娥五号月球探测器于2020年12月着陆于月球正面风暴洋克里普地体（Procellarum KREEP Terrane，PKT）的东北部，并成功采回1731 g月壤样品。前人对返回样品的研究推进了对月球年代学、月球晚期火山活动和岩浆演化机制的认识。斜锆石是月球玄武岩中常见的副矿物，广泛用于U-Pb年代学研究；同时，撞击作用可能会导致斜锆石发生形变和相变。因此，斜锆石的研究对于确定岩石的形成时代和演化历史具有重要意义。月球样品中斜锆石的成因机制主要有两种：一种是在岩浆晚期结晶形成，结晶形成的斜锆石通常呈板状或叶片状，与其他后期结晶产物共生；另一种是高温条件下锆石分解的产物，常呈蠕虫状或颗粒状，与二氧化硅共生，镶嵌于残余锆石边缘。这些不同的成因机制为我们理解月球岩石的形成和演化提供了重要线索。

中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）科研人员在一个嫦娥五号玄武岩岩屑样品中发现了两种不同形貌的斜锆石，根据斜锆石的形貌特征将其分为两类：（1）大颗粒斜锆石，大小约为4-5微米，被富铁辉石包裹（图1b-c）；（2）小颗粒斜锆石集合体，由多个几十至几百纳米的小颗粒斜锆石聚集而成，非晶质二氧化硅充填在颗粒之间，包裹于富铁辉石中（图1d-f）。其中，小颗粒斜锆石集合体的形貌及其与二氧化硅共存的特征，与锆石在1673°C高温下的分解产物相似。因此，研究人员对这两种不同形貌的斜锆石进行了系统的岩相学和晶体结构分析，以探讨其成因及演化历史。

图1 大颗粒斜锆石（b-c）和小颗粒斜锆石集合体（d-f）的背散射图像

数值计算显示，当嫦娥五号玄武岩岩浆演化至后期，岩浆中的Zr含量仍低于锆石的饱和度，难以结晶出锆石。此外，目前发现的小颗粒斜锆石集合体只与岩浆晚期结晶产物共生，且其周围的硅酸盐矿物未显示高温热事件的证据。因此，推测小颗粒斜锆石集合体可能为岩浆结晶产物，因形成温度不同而形成两种不同形貌的斜锆石。

电子背散射衍射（EBSD）数据显示两种形貌的斜锆石均经历了从高对称性二氧化锆（高温相：四方晶系/立方晶系，高压相：斜方晶系二氧化锆）到斜锆石（单斜晶系二氧化锆）的相变过程，指示其可能经历过高温或高压事件。结合岩相学结果，针对该晶体结构特征，提出三种可能的解释：（1）岩浆结晶出的高对称性二氧化锆，在岩浆温度下降时相变为斜锆石；（2）岩浆结晶斜锆石后经历过高温事件，导致其发生相变；（3）岩浆结晶斜锆石后经过了高压事件，导致其发生相变。由于岩相学观测上缺乏极高温事件发生的证据，暂且排除了因高温导致相变的可能。然而，鉴于目前观测数据有限，以及缺乏月球环境下不同结构氧化锆形成的热力学实验数据，尚无法明确嫦娥五号玄武岩中斜锆石经历的演化历史。

图2 大颗粒斜锆石的EBSD数据。（a）Foil-1的HADDF图；（b）矿物相拼图；（c-d）斜锆石晶体取向数据及极图；（e-f）对斜锆石晶体结构数据进行母体重构的结果

图3 小颗粒斜锆石集合体的EBSD数据。（a-b）斜锆石晶体取向数据及极图；（c-d）对斜锆石晶体结构数据进行母体重构的结果

综上所述，基于嫦娥五号玄武岩中两种不同形貌斜锆石的岩相学和晶体学特征，研究推测这两种斜锆石均为岩浆结晶产物。研究还提出了三种可能场景解释晶体结构数据。为了更深入地理解斜锆石的形成条件，特别是其形成的温度（T）和压力（P）条件，未来还需要开展热力学实验来进一步探究月球环境下二氧化锆的稳定性。这些实验将有助于揭示斜锆石的P-T记录，从而更好地理解月球的岩浆活动历史和地质演化过程。

上述研究成果发表于Journal of Geophysical Research: Planets上，本文第一作者是空间中心博士研究生黄莉莹，通讯作者是徐于晨副研究员和刘洋研究员。合作团队还包括中国科学院国家空间科学中心地质与地球物理研究所、中国科学院国家空间科学中心地球化学研究所和南京大学的研究人员。该成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院国家空间科学中心青年创新促进会项目基金等的共同资助。

论文信息：Huang, L., Xu, Y., Qin, L., Liu, Y., Gu, L., Tian, H.-C., et al. (2024). Petrography, crystallography, and geochronology of baddeleyite with two morphologies in a Chang'e-5 lunar basalt. Journal of Geophysical Research: Planets, 129, e2023JE007955.

论文链接：https://doi.org/10.1029/2023JE007955

（供稿：天气室）