“失蹤”的克里普——月海玄武岩成因丨嫦娥五號

你可能從未聽說過克里普，但是它卻是月球科學家關注的焦點之一。

克里普因為富集鉀（K）、稀土（REE）、磷（P）（縮寫KREEP，即克里普）而得名。月球形成和演化理論認為，月球形成之初，曾被深達數百公里的岩漿洋覆蓋。隨著岩漿洋的不斷結晶，不相容元素，如：鈾（U），釷（Th），鉀（K）、稀土（REE）、磷（P）等，在殘餘熔體中不斷富集，形成了克里普，並最終集中在月球的殼-幔之間（圖1）。

圖1 月球岩漿洋模型示意圖（修改自Jennifer Rapp）

但是，除了少量的月球返回樣品和隕石中富含克里普組分外，人們並沒有發現真正的克里普巖。

儘管如此，長期以來，克里普組分仍被認為是月球火山活動持續億萬年之久的原因。畢竟月球質量只有地球的1%，理論上早就應該完全固化了。

一個流行的假說是，克里普富含的放射性元素，如：鈾（U），釷（Th），鉀（K），為月球持續的火山活動提供熱源。這一假說得到了遙感探測的支援，月球最年輕的玄武岩，火山活動的產物，主要填充在月球正面一個叫風暴洋克里普地體的地方，它因富集釷（Th），被認為很可能富含克里普組分而得名（圖2）。

這種最年輕的火山與釷（Th）的相關性似乎暗示，克里普組分中的放射性元素生熱是維持月球長時間火山活動的主要因素。

圖2 月海玄武岩與Th含量分佈圖（Yang and Lin, 2021, The Innovation）。紅色代表嫦娥五號著陸點，青色和藍色分別代表阿波羅和月球號的著陸點。嫦娥五號著陸在一個年輕的、富釷（Th）的區域

但是，這個假說從未被年輕玄武岩樣品證實，無論是美國阿波羅計劃、前蘇聯月球號，還是月球隕石，都沒有收集到月球最年輕的玄武岩。

為此，我國的嫦娥五號選擇去月球最年輕的地方，試圖揭秘，克里普到底對月球最年輕火山活動有什麼貢獻？帶著這樣的問題，我們開始了嫦娥五號月球樣品的研究。

要想鑑別岩漿中是否含有克里普組分，我們首先要知道克里普的特徵。儘管克里普因富含K、REE、P等不相容元素而得名，但是，玄武岩岩漿富含不相容元素，並非都是因為其起源於一個富含克里普的月幔。一個原本不含克里普的岩漿，在經過大量礦物結晶的高程度演化之後，剩下的岩漿也會變得富含不相容元素。

這就是我們面臨的問題。在研究了嫦娥五號玄武岩的礦物和化學成分之後，我們發現它比阿波羅和月球號返回的月球玄武岩都更加富含不相容元素，例如：稀土元素（圖3）。

圖3 嫦娥五號玄武岩的稀土元素組成。嫦娥五號玄武岩（紅）相比於阿波羅和月球號玄武岩含有更高的稀土元素，其稀土配分形態與克里普玄武岩非常類似

但是，如前所述，這既可能來自於克里普的貢獻，也可能來自於大量礦物結晶的高程度演化。而且從礦物學研究的結果看，嫦娥五號玄武岩確實經歷過高程度演化（圖4）。

圖4 嫦娥五號玄武岩的岩石學和礦物化學特徵。從全巖成分看，嫦娥五號玄武岩的鎂指數（Mg#）很低，顯著低於阿波羅和月球號樣品，鎂指數越低，說明演化程度越高。這與嫦娥五號玄武岩中的輝石和橄欖石更富集鐵的觀察是一致的

於是，我們不得不使用同位素，如：鍶（Sr）、釹（Nd）、鉛（Pb）等，同位素是識別克里普組分更有效的方式，它們就像是岩石的DNA，不會隨後來的岩漿演化而變化。

但是，難點在於，嫦娥五號月壤中的玄武岩顆粒都異常微細，要想獲得嫦娥五號玄武岩的同位素比值並非易事。在這方面，中國科學院地質與地球物理研究所鐳射剝蝕電感耦合等離子體實驗室有著十幾年的技術積累。採用世界最高空間分辨的鐳射原位分析方法，分別在80微米和20微米尺度獲得長石的Sr和白磷鈣礦的Nd同位素，這也是迄今為止微區Sr-Nd同位素分析方法首次應用於月球樣品研究。

鍶（Sr）和釹（Nd）同位素的結果出乎了我們的預料，嫦娥五號玄武岩，迄今為止月球最年輕的玄武岩，其鍶（Sr）和釹（Nd）同位素與克里普具有顯著的差異（圖5）。計算表明，其在形成過程中，克里普組分的貢獻不足千分之五。

圖5 嫦娥五號玄武岩鍶（Sr）和釹（Nd）同位素結果。嫦娥五號玄武岩鍶（Sr）和釹（Nd）同位素（紅色）與克里普（綠色）有顯著的差異，計算表明，克里普組分的貢獻不足千分之五

這一發現意味著，維持月球長期火山活動的，並非月幔中富含克里普。但是，在月幔不含克里普組分的情況下，月球的岩漿活動為什麼能持續這麼久呢？我們後續的研究將繼續嘗試回答這一月球科學之謎。

研究成果發表於國際學術期刊Nature（田恆次#，王浩#，陳意#，楊蔚*，周琴，張馳，林紅磊，黃超，吳石頭，賈麗輝，許蕾，張迪，李曉光，常睿，楊嶽衡，謝烈文，張丹萍，張廣良，楊賽紅，吳福元. Non-KREEP origin 1 for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04119-5）。

該成果受中科院重點部署專案（ZDBS-SSW-JSC007-15）、中科院先導B（XDB 41000000）、中科院交叉創新團隊、民用航天預先研究專案（D020203）、中科院地質與地球物理研究所重點部署專案（IGGCAS-202101）共同資助。

來源：中國科學院地質與地球物理研究所