嫦娥五號(hào)玄武巖揭示月幔長(zhǎng)期處于還原狀態(tài) |張慧娟等-Nature Communications

氧逸度（fO2）是控制行星熱演化和宜居性的主要因素之一。地球的地幔和火星的火幔形成以來(lái)都經(jīng)歷了不同程度的氧化，深刻影響了其巖漿去氣時(shí)的揮發(fā)份種類(lèi)和熱演化過(guò)程。然而，這種氧化過(guò)程是否是所有類(lèi)地行星的普遍現(xiàn)象，尚不清楚。月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，也是研究這一問(wèn)題的重要對(duì)象，但是，月幔自形成以來(lái)的氧化還原演化歷史仍然未知，主要是因?yàn)樗芯康脑虑蛐鋷r樣品主要形成于40~30億年之間，缺乏年輕月球玄武巖樣品。

嫦娥五號(hào)玄武巖形成于20億年前，為理解月幔氧逸度演化提供了關(guān)鍵樣品?；诖?，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后張慧娟與其導(dǎo)師楊蔚研究員及合作者，利用橄欖石和尖晶石V氧逸度計(jì)，對(duì)27個(gè)嫦娥五號(hào)玄武巖巖屑進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)玄武巖的平均氧逸度為ΔIW–0.84 ± 0.65，與年齡在36~30億年之間阿波羅玄武巖和火山玻璃的氧逸度十分相似。氧逸度在時(shí)間上的一致性說(shuō)明月幔一直維持在還原狀態(tài)，不像地球和火星經(jīng)歷了明顯的氧化（圖1，圖2）。

圖1 CE-5玄武巖揭示的月幔氧逸度（a）與地球和火星的對(duì)比（b）

長(zhǎng)期持續(xù)還原的月幔表明導(dǎo)致地幔和火幔氧化的過(guò)程要么在月球上沒(méi)有發(fā)生，要么對(duì)月球的影響可以忽略不計(jì)（圖2）?？赡艿倪^(guò)程包括：

（1）鐵的歧化反應(yīng)，深部地幔中的布里奇曼石（bridgmanite）發(fā)生Fe2+→Fe3+ + Fe0的歧化反應(yīng)，單質(zhì)鐵沉入地核，導(dǎo)致地幔的氧化，但是，月幔最大壓力不超過(guò)5 Gpa，無(wú)法形成布里奇曼石，使得鐵歧化反應(yīng)無(wú)法發(fā)生；

（2）后期增生物質(zhì)，縱使假設(shè)所有的增生物質(zhì)均為氧化物質(zhì)，月球的增生比例（0.02%）也遠(yuǎn)低于火星（0.31%）和地球（0.33%），不足以氧化月幔；

（3）氫氣去氣，由于月幔的初始水含量就可能顯著低于地幔和火幔，并沒(méi)有發(fā)生過(guò)大規(guī)模的去氣，因而也不足以氧化月幔。

長(zhǎng)期還原的月幔對(duì)月球演化具有至關(guān)重要的影響。首先，它促進(jìn)H去氣，抑制S去氣，這種在還原條件下的脫氣途徑可以很好地解釋阿波羅和CE-5玄武巖樣品中低的S脫氣程度（19%~40%）和高的H脫氣程度（98%~99%）；其次，由于越還原，越難熔，月幔的長(zhǎng)期還原導(dǎo)致其長(zhǎng)期保持較高的熔點(diǎn)，進(jìn)而抑制內(nèi)部巖漿的產(chǎn)生和月幔的對(duì)流，使得熱量不容易耗散，延緩了月球的冷卻，這一研究為月球熱演化研究提供了一個(gè)新視角。

圖2 月幔氧逸度與地幔和火幔氧逸度隨時(shí)間變化的對(duì)比（a）及其形成機(jī)制的示意圖（b）

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（張慧娟,楊蔚*, 張棣, 田恒次, 阮仁浩，胡森, 陳意,惠鶴九,林彥蒿, Ross N. Mitchell,張迪,吳石頭,賈麗輝,谷立新,林楊挺,李獻(xiàn)華,吳福元. Long-term reduced lunar mantle revealed by Chang’e-5 basalt [J].Nature Communications,?2024,15: 8328. DOI: 10.1038/s41467-024-52710-x.）。

編輯：劉強(qiáng)