導言：對嫦娥五號月壤樣品中玄武岩研究揭示月球在20億年前仍存在岩漿活動，比以往認知推遲了8-9億年，重新整理了科學界對月球演化歷史的認知。然而，目前對嫦娥五號玄武岩屬於低鈦（Tian et al., 2021, Nature; Li et al., 2022,National Science Review）還是高鈦月海玄武岩（Che et al., 2021,Science; Jiang et al., 2022,Science Bulletin）還存在爭議。本研究從橄欖石鈦含量這一新視角，揭示嫦娥五號玄武岩屬於低鈦月海玄武岩，比大多數阿波羅低鈦月海玄武岩具有更高的鈦含量，該發現可為研究月球最年輕火山成因機制奠定基礎。
與地球玄武岩相比，月球玄武岩TiO2含量變化極大（～0.3-15 wt%），通常分為高鈦（>6 wt%）、低鈦（1-6 wt%）和極低鈦（<1 wt%）三種類型，它們對應不同的月幔源區、起源深度和岩漿演化過程。因此，準確識別月海玄武岩的型別是認識月球岩漿活動的前提，對研究月幔不均一性和月球熱演化歷史具有重要指示意義。
前人區分月海玄武岩的型別主要基於全巖成分，而嫦娥五號玄武岩的全巖成分只能透過亞毫米-微米級岩屑來獲得，常規方法是透過礦物平均成分、礦物體積含量和密度計算來獲取全巖成分。然而，微細岩屑是否具有代表性以及礦物普遍發育成分環帶都將顯著影響玄武岩全巖成分的限定，導致目前報道的岩屑成分變化範圍巨大（圖1），不能準確區分嫦娥五號玄武岩的型別。因此，我們需要建立一種針對岩屑樣品判別月海玄武岩型別的新標準。
模擬計算研究發現，高鈦和低鈦玄武岩經歷不同的礦物結晶序列，從而呈現不同的化學成分演化規律（圖1）。橄欖石作為岩漿最早期結晶的礦物相，其鈦含量受控於岩漿鈦含量，基本不受結晶溫度影響，因此可用來限定結晶分異過程中岩漿鈦含量的變化趨勢，揭示礦物結晶序列，進而判別月海玄武岩型別。
圖1 月海玄武岩MgO vs. TiO2成分圖解，四角星代表計算恢復的嫦娥五號玄武岩岩屑全巖資料
中國科學院地質與地球物理研究所岩石圈演化國家重點實驗室張迪工程師與蘇斌副研究員、陳意研究員等，利用新近研發的橄欖石微量元素電子探針高精度分析方法，對嫦娥五號玄武岩岩屑中的橄欖石開展系統分析。結果顯示，隨著橄欖石鎂指數降低，其鈦含量先升高後降低（圖2），記錄了岩漿從早期鈦鐵礦不飽和到晚期鈦鐵礦飽和的演化過程，與低鈦玄武岩結晶演化趨勢一致（圖1）。透過鎂指數最高的橄欖石的鈦含量計算獲得母岩漿TiO2含量為～4.4 wt%，進一步證實嫦娥五號玄武岩屬於低鈦月海玄武岩。
雖然嫦娥五號玄武岩是低鈦型，但是與阿波羅低鈦玄武岩相比（TiO2集中於2-3 wt%），嫦娥五號玄武岩含有更高的鈦含量，暗示嫦娥五號玄武岩與絕大多數阿波羅玄武岩的初始岩漿成分不同，可能反映月球年輕火山和古老火山的月幔源區物質組成、岩漿起源深度或者噴發演化過程不同。這些發現不僅為未來研究月球年輕火山活動機制提供了具體目標，也為研究月球熱演化歷史奠定基礎。
圖2 嫦娥五號玄武岩中橄欖石Fo vs. Ti 圖解，圖(b)是圖(a)中資料移動平均的結果
研究成果發表於國際學術期刊Lithos（張迪，蘇斌*，陳意，楊蔚，毛騫，賈立輝. Titanium in olivine reveals low-Ti origin of the Chang'E-5 lunar basalts [J].Lithos, 2022. DOI: 10.1016/j.lithos.2022.106639）。
美編：傅士旭
校對：江淑敏
