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月球斜长岩的形成新模式

发布时间:2020-04-13 浏览次数:208

月球斜长岩是在月球高地的一类含有>85 vol%富钙斜长石(An > 94)的岩石。阿波罗11号返回的样品中发现了大量的斜长岩岩屑后,便提出了月球岩浆洋模型。在经典的岩浆洋模型中,月球早期出现全球性的岩浆熔融,随着岩浆的冷却,富镁橄榄石和辉石等基性矿物首先结晶,由于其密度较大,这些矿物下沉形成原始月幔,当岩浆洋固化到~75%左右时,密度小的斜长石开始结晶并上浮形成原始斜长岩月壳,岩浆洋达到~90%结晶时,密度较大的钛铁矿等矿物也开始结晶,随着岩浆洋的继续固化,残余岩浆中不断富集钾、磷、稀土等不相容元素,最终在原始月壳和月幔之间形成urKREEP储库。晚期结晶的钛铁矿比橄榄石-辉石月幔密度大,因而重力不稳定,发生翻转,导致月幔发生部分熔融,形成较年轻的月海玄武岩。月球岩浆洋的形成和演化对月球的地质演化过程起了决定性作用,因而岩浆洋模型是目前月球地质演化研究的基础,一直备受关注。此外,月球岩浆洋模型已被推广到地球、火星等类地行星以及小行星的地质演化研究中。

随着月球陨石的大量发现研究以及阿波罗样品的进一步分析,经典的岩浆洋模型受到了很大的挑战。在斜长岩中大量发现了富镁斜长岩,其镁铁质矿物的Mg#值远高于早前研究的亚铁斜长岩中的Mg#值。同时,月球斜长岩中斜长石的稀土元素含量可相差40倍。单一的岩浆源区无法形成微量元素相差如此大的斜长岩。此外,斜长岩中镁铁质矿物的Mg#差异很大,但是不同类型斜长岩中斜长石的稀土元素含量差别并不大,这个现象也没法用岩浆洋结晶来解释。更重要的是,部分斜长岩年龄与镁质岩套的年龄重合,都延续了0.3-0.4 Ga,有些斜长岩的年龄非常年轻,且初始εNd值有负有正,分别指示着轻稀土富集及亏损的源区,这些和岩浆洋模型严重不符。显然,月球斜长岩的地球化学数据与岩浆洋模型的不一致性,成了岩浆洋模型的危机。

南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室惠鹤九教授课题组研究了10块月球陨石,从其中找到了51个较大的斜长岩岩屑(图1),分析了它们的主、微量元素。斜长岩角砾直径大多大于500微米的,基本由斜长石组成,含有少量的橄榄石、辉石及钛铁矿。镁铁质矿物颗粒基本都很小(图1)。

与阿波罗样品及前人测得的陨石样品相比,本次样品与其他陨石样品一样,部分是富镁斜长岩(MAN, 2),说明这些岩屑样品具有广泛的代表性。富镁(MANs)和富铁(FANs)这两类斜长岩中斜长石的稀土含量及分配形式却无明显差别,且稀土含量变化很大,绝对含量相差可高达40(图3)。这些数据和已发表数据一致,证明斜长岩不可能都是从同一个岩浆中通过简单的分离结晶形成。此外,斜长石的稀土元素具有明显不同的演化趋势(图3)。结合阿波罗样品及陨石中斜长岩的数据,惠鹤九课题组提出了斜长岩在岩浆洋中结晶形成原始月壳后,部分斜长岩受到了月幔部分熔融产生的熔体及KREEP熔体的交代作用。月幔熔体交代形成的镁铁质矿物Mg#较高,而KREEP交代的斜长岩富稀土元素。因此,部分月球斜长岩代表了受交代的月壳(图4)。岩浆洋可以很早就结晶分异出斜长岩,但是部分斜长岩由于交代作用年龄被重置了。同时,部分月幔和KREEP熔体直接熔融了斜长质月壳,形成镁质岩套(图4)。这一模型解释了月球斜长岩与镁质岩套年龄的重叠问题及初始εNd值的相似性。交代事件也说明月幔翻转很早就已经发生,远早于月海玄武岩的形成。该模型成功解决了月球斜长岩数据与岩浆洋模型之间的矛盾,支持了岩浆洋模型。

该成果近期发表于Earth and Planetary Science Letters论文第一作者是南京大学博士生徐小青,该工作同时得到了中国地质大学(武汉)陈唯、美国内华达大学的黄士春、美国诺特丹大学Clive Neal及南京大学重点实验室徐夕生等老师教授等的帮助。

论文DOI链接为:https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116138


1:部分斜长岩岩屑的背散射电子图像(Pl, 斜长石; Px, 辉石; Ol, 橄榄石; Ilm, 钛铁矿)

2:斜长岩岩屑中斜长石An值(molar Ca/(Ca+Na+K)×100)与镁铁质矿物Mg# molar Mg/(Mg+Fe)×100)关系特征


3:斜长石中稀土元素含量及关系图解


4:月球斜长岩形成示意图