月球玻璃珠是月球表面的玻璃质球状物质，早在上世纪70年代就被阿波罗计划所发现，为月球的岩浆活动、月幔组成、月球水含量以及内太阳系撞击历史等重要科学问题提供了关键信息。月球玻璃珠根据成因可划分为火山喷发快速冷凝的玻璃珠（火山玻璃珠）和撞击玻璃珠，其中后者是在月表撞击环境下经物质熔融并冷凝而成，其化学组成常常反映了包括月海玄武岩、月球高地岩石以及克里普组分（KREEP，以高钾、稀土和磷为特征）等物质的混合。我国嫦娥五号返回月壤样品中的玻璃珠主要为本地玄武岩受撞击熔融形成的撞击玻璃珠，也存在少量的外来物质撞击熔融玻璃珠和火山玻璃珠 (Long et al., 2022; Wang et al., 2024; Yang et al., 2022)。其中，有一类特殊的高镁玻璃珠，化学成分区别于嫦娥五号本地玄武岩和月壤，展示出重要的科学研究意义。必赢242net关键地球物质循环与成矿全国重点实验室骨干王孝磊教授及其团队博士研究生丁晨龙，与澳大利亚科廷大学的Alexander Nemchin教授等学者合作，对从嫦娥五号月壤中分选出的月球玻璃珠开展了系统的年代学和地球化学研究，以确定其成因与来源。
研究团队从嫦娥五号铲取样粉末CE5C0600YJFM00501中成功分选出了月球玻璃珠，并进一步从众多玻璃珠中识别了一颗粒径达300微米的高镁玻璃珠。该玻璃珠一侧边缘呈弧形，是一颗较大玻璃珠破碎后的一部分。背散射电子图像显示其显微结构分为有细长骸晶的内部区域和均一的玻璃边缘（图1）。电子探针显微分析表明，不同区域的主量元素成分在误差范围内一致，具高MgO含量（25.3–26.2 wt.%）特征（图2），明显区别于嫦娥五号本地玄武岩及本地玄武质撞击玻璃（MgO含量5–10 wt.%）。此外，这颗高镁玻璃珠相较本地玄武质撞击玻璃还具有较低的TiO2、Al2O3、FeOt和CaO含量（图2）。
图1. 嫦娥五号月壤样品CE5C0600YJFM00501中高镁玻璃G1-GB-1的背散射电子图像
图2. 高镁玻璃G1-GB-1的化学组成。(A–D) 主量元素与MgO的二元图解。(E)高镁玻璃（绿色实线），中钛玄武质玻璃的平均（红色虚线）和嫦娥五号火山玻璃珠（蓝色实线）的稀土元素球粒陨石归一化模式图。(F–G) 部分微量元素与MgO的二元图解。(H) Co和Ni含量的二元图解。(I) CaO/Al2O3比和MgO/Al2O3比的二元图解，区分火山成因和撞击成因玻璃珠。灰色阴影区域为阿波罗样品中的火山玻璃珠。
用实验室的离子探针（SIMS）对不同区域的微量元素成分进行分析，结果表明，这颗高镁玻璃珠的不同区域微量元素含量在误差范围内一致。稀土元素的球粒陨石归一化图解显示轻稀土富集而重稀土亏损的负斜率特征，并具有显著的负Eu异常（图2）。一些不相容元素（如Zr、Th等）的含量低于嫦娥五号本地玄武质撞击玻璃。Sc和V的含量与嫦娥五号本地玄武质撞击玻璃相似，但Co和Ni的含量低于大部分月球玻璃和岩石。这些独特的化学成分指示高镁玻璃珠区别于目前已知的月海玄武岩、镁质岩套和火山玻璃珠。
进一步用SIMS对高镁玻璃珠进行U-Pb定年，结果显示该玻璃珠形成于68±10 Ma (Ma意为百万年前；即6800±1000万年；图3)。尽管该玻璃珠具有与火山玻璃珠相似的显微结构，但更高的MgO含量明显区别于火山玻璃。结合先前定年结果 (Long et al., 2022)，目前已发现的嫦娥五号高镁玻璃珠的年代在346 ± 47 到 8 ± 3 Ma之间散布。如果这些年轻的玻璃珠代表多期火山活动，则应在月表留有记录，但已有的遥感资料并不支持，故该具有独特化学组成的年轻高镁玻璃属于撞击成因。
图3. 高镁玻璃G1-GB-1的U-Pb年龄。紫色误差椭圆为未校正数据，绿色误差椭圆为校正后数据。
相平衡模拟结果显示，高镁玻璃珠原岩的平均组成落在含斜长石的超镁铁岩和橄榄辉长苏长岩边界上，且原岩中斜方辉石相较单斜辉石和橄榄石更加富集（图4）。指示这类高镁玻璃珠原岩可能代表了部分月幔的碎片，并通过大的撞击事件被挖掘到月表。斜长石的比例估算表明月幔中可能存在斜长石比例更高的区域（斜长石在岩浆洋结晶过程中的不完全分离）、月幔翻转过程中月壳组分对上月幔的混染、或者撞击作用导致了斜长石在月壳和月幔的重新分布。高镁玻璃原岩不相容元素的富集则可能暗示了urKREEP的贡献。此外，遥感观测表明，在雨海盆地的边缘，特别是在西北部的虹湾，发现了低钙辉石和富橄榄石的潜在露头 (Yamamoto et al., 2023; 2010)（图5），指示了高镁玻璃珠原岩的可能来源。如果雨海撞击事件挖掘出部分上月幔碎片并带到月表形成高镁玻璃珠，那么这些玻璃珠的化学成分表明，至少部分的上月幔是以辉石，尤其是以低钙辉石为主。这与一些地球物理数据和数值模拟研究结果一致 (Johnson et al., 2021; Prissel et al., 2024)。
图4. 嫦娥五号高镁玻璃珠的相平衡模拟结果。(A–C) 原岩的平均矿物模式比例。 (D–E) 高镁玻璃平衡相中辉石和橄榄石的成分。67767和12005中辉石的成分范围分别用紫色和灰色表示。
图5. 高镁玻璃珠的可能来源区域。低钙辉石和橄榄石露头的位置集中在雨海盆地边缘。
本研究解析了嫦娥五号中独特的高镁玻璃珠，为研究月球深部的矿物学特征提供了一个独特视角。上述成果近日以“A potential mantle origin for precursor rocks of high-Mg impact glass beads in Chang’e-5 soil”为题在线发表于国际顶尖综合性学术期刊《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.adv9019），博士研究生丁晨龙为论文第一作者，王孝磊教授为论文通讯作者。论文重要贡献者还包括澳大利亚科廷大学的Alexander Nemchin教授和Tim Johnson教授，澳大利亚国立大学的Marc Norman教授，以及关键地球物质循环与成矿全国重点实验室的管跃、田兰兰、解文俐、李林森、周圣迪和徐渴鑫。本研究得到了国家自然科学基金（42025202，42241121）和关键地球物质循环与成矿全国重点实验室的联合资助。
参考文献
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