嫦娥五號玄武巖揭示月幔長期處于還原狀態 |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都經歷了不同程度的氧化，深刻影響了其巖漿去氣時的揮發份種類和熱演化過程。然而，這種氧化過程是否是所有類地行星的普遍現象，尚不清楚。月球作為地球唯一的天然衛星，也是研究這一問題的重要對象，但是，月幔自形成以來的氧化還原演化歷史仍然未知，主要是因為所研究的月球玄武巖樣品主要形成于40~30億年之間，缺乏年輕月球玄武巖樣品。

嫦娥五號玄武巖形成于20億年前，為理解月幔氧逸度演化提供了關鍵樣品。基于此，中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士后張慧娟與其導師楊蔚研究員及合作者，利用橄欖石和尖晶石V氧逸度計，對27個嫦娥五號玄武巖巖屑進行了研究。結果表明，嫦娥五號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。氧逸度在時間上的一致性說明月幔一直維持在還原狀態，不像地球和火星經歷了明顯的氧化（圖1，圖2）。

圖1 CE-5玄武巖揭示的月幔氧逸度（a）與地球和火星的對比（b）

長期持續還原的月幔表明導致地幔和火幔氧化的過程要么在月球上沒有發生，要么對月球的影響可以忽略不計（圖2）。可能的過程包括：

（1）鐵的歧化反應，深部地幔中的布里奇曼石（bridgmanite）發生Fe2+→Fe3+ + Fe0的歧化反應，單質鐵沉入地核，導致地幔的氧化，但是，月幔最大壓力不超過5 Gpa，無法形成布里奇曼石，使得鐵歧化反應無法發生；

（2）后期增生物質，縱使假設所有的增生物質均為氧化物質，月球的增生比例（0.02%）也遠低于火星（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，并沒有發生過大規模的去氣，因而也不足以氧化月幔。

長期還原的月幔對月球演化具有至關重要的影響。首先，它促進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，月幔的長期還原導致其長期保持較高的熔點，進而抑制內部巖漿的產生和月幔的對流，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新視角。

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

研究成果發表于國際學術期刊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