2020年12月17日嫦娥五号返回器携带1731克月球样品成功着陆地球，使我国成为继美国和前苏联之后第三个进行月球样品直接取样的国家。嫦娥五号月壤的化学组成对认识月球年轻玄武岩的形成和演化、遥感数据的原位检验、陨石和外来溅射物加入等后期复杂改造等多方面的科学问题至关重要。中国科学家前期利用X射线荧光光谱（XRF）和中子活化（INAA）技术对嫦娥五号月壤样品进行了化学组成的测定，取得了重要进展（Li et al., 2022; Yao et al., 2022）。

近日，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队宗克清和汪在聪两位教授与合作者们，在前期大量条件实验和分析方法优化的基础上（李嘉威等, 2021），利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）在2毫克和4毫克样品消耗量的条件下，对不同批次的嫦娥五号表取月壤中48种主量和微量元素（包括挥发性和亲铁元素）同时进行了准确测定，并详细讨论了嫦娥五号月壤样品的均一性、外来物质加入量以及着陆区玄武岩的成因（Zong et al., 2022）。取得的主要认识如下：

(1) 嫦娥五号两批（CE5C0400和CE5C0600）月壤样品的七次分析结果在10%相对标准偏差范围内非常一致（除了Ni和低含量的Mo和W）（图1），指示嫦娥五号月壤样品在毫克水平上非常均一，这主要是由于嫦娥五号月壤具有非常细的粒度和高的成熟度（Li et al., 2022; 曹克楠等, 2022）。嫦娥五号月壤具有低Mg#（34）、高FeO（22.7 wt.%）、中等的TiO₂（5.12 wt.%）和高Th含量（5.14 µg/g）的特征（图2和3），与美国阿波罗任务和前苏联Luna任务采集的月壤和玄武岩的化学成分不同（图3）。嫦娥五号月壤的FeO、TiO₂和Th含量的实测值与遥感预测值（Fu et al., 2021; Qian et al., 2021a; Qian et al., 2021b） 基本一致（< 20-30%），支持风暴洋区域广泛分布中钛、高铁和富Th的玄武岩。

      图1. 嫦娥五号两批月壤48种主量和微量元素七次ICP-MS分析结果的相对标准偏差（RSD）。结果表明嫦娥五号月壤化学成分在毫克水平上非常均一（除了Ni和低含量的Mo和W）。图中对比了X射线荧光光谱（XRF）和中子活化（INAA）方法获得的不同批次月壤成分（Li et al., 2022; Yao et al., 2022）。

图2. 嫦娥五号月壤的主量元素Al₂O₃、FeO、TiO₂和Mg#组成与已经发表的玄武岩玻璃和岩屑以及阿波罗样品数据的对比。

图3. 嫦娥五号月壤的FeO和Th组成与美国阿波罗以及前苏联Luna月球样品数据的对比。嫦娥五号月壤的成分明显不同于以前返回的月球样品。嫦娥五号着陆区遥感预测的FeO和Th含量（红色菱形）引自Fu et al.（2021）。

(2) 除了极个别元素（Ni）外，嫦娥五号月壤的主量和微量元素含量与其中玄武岩玻璃和岩屑的元素含量高度一致（图4），表明嫦娥五号着陆区所在的风暴洋北部月海区域受到外来高地物质和KREEP（富钾、稀土和磷的一种月球物质）冲击混入的量非常有限（< 5%）。因此，嫦娥五号月壤化学成分（除了Ni）可以用来代表着陆区月海玄武岩的平均化学组成。

图4. 嫦娥五号月壤的主量元素和微量元素与其中玄武岩玻璃和岩屑化学成分的对比，结果表明嫦娥五号月壤与下伏玄武岩的化学组成很一致（除了Ni）。

(3) 嫦娥五号月壤所代表的玄武岩是由低钛玄武岩高度演化而来（He et al., 2022; Tian et al., 2021; Zhang et al., 2022），具有低的Mg#（34），理论上应该含有低的Ni含量（20-30 µg/g）（图5），但是嫦娥五号月壤的Ni含量却高达139 µg/g。这一过量的Ni（~110-120 µg/g）指示了陨石物质的加入。根据球粒陨石具有1–1.7 wt.%的Ni含量（Wasson and Kallemeyn, 1988），我们估算出嫦娥五号月壤大概有1%陨石物质加入。质量平衡计算表明，约1%陨石物质的加入只会显著提高Ni、Ir等部分亲铁元素，不会造成其它元素（如Fe、Mo、W和亲石元素）含量的变化。美国阿波罗高成熟度月壤的陨石加入量一般较高（1.5-2%），结合阿波罗着陆区玄武岩形成时代（39-31亿年: Snape et al., 2019）明显大于嫦娥五号着陆区玄武岩的喷发时间（20亿年: Che et al., 2021; Li et al., 2021），我们推测月球39亿年的陨石大轰击事件之后，陨石加入的通量比较稳定。

图5. 嫦娥五号月壤Ni和Mg#的组成，及其与美国阿波罗玄武岩、月球陨石和地球洋中脊玄武岩的对比。结果表明嫦娥五号月壤过剩（~110-120 µg/g）的Ni指示了约1%陨石物质的加入。

(4) 如前所述，少量KREEP和高地物质（< 5%）以及陨石物质（< 1%）的加入并不会改变嫦娥五号月壤和下伏玄武岩之间化学成分的变化（除了Ni）。因此嫦娥五号月壤的绝大多数元素可以代表其着陆区玄武岩的平均化学成分（图6）。嫦娥五号玄武岩不仅具有非常高的不相容亲石元素含量，而且它的多元素配分模式明显不同于阿波罗低钛和高钛玄武岩，但是与高钾KREEP的特征非常类似（图6）。因此嫦娥五号玄武岩具有显著的KREEP特征，Tian et al.（2021）通过玄武岩岩屑重建的稀土元素特征也揭示了这种KREEP特征（KREEP-like）。但是嫦娥五号玄武岩具有非放射成因的Sr同位素和放射性成因的Nd同位素组成，Tian et al.（2021）据此推测嫦娥五号玄武岩起源于不含KREEP的月幔源区，而低程度部分熔融和高程度结晶分异是形成KREEP特征的关键。然而，我们的结果包括除了稀土元素之外的几十种元素，特别是Th、K、U、Nb和Ta等强不相容亲石元素表现出强烈的异常（图6）。该特征并不能仅用低程度部分熔融和高程度结晶分异进行解释，而反映出嫦娥五号玄武岩源区具有KREEP物质的贡献。由于KREEP物质具有明显的放射性成因Sr同位素和非放射性成因Nd同位素组成，因此我们认为嫦娥五号玄武岩月幔源区除了KREEP物质，还应该具有较高的单斜辉石含量。这是因为单斜辉石具有非常低的Rb/Sr比值和高的Sm/Nd比值，可以很好平衡KREEP的Sr-Nd同位素特征。模拟计算结果表明，嫦娥五号玄武岩月幔源区含有约1-1.5%左右的高钾KREEP物质，其单斜辉石含量可能高达40-60%（图7），这也反映了嫦娥五号玄武岩来自月幔的上部。嫦娥五号玄武岩月幔源区富集低熔点的单斜辉石以及含少量放射性生热元素富集的KREEP物质可能是月球在20亿年依然存在岩浆活动的原因之一。

图6. 嫦娥五号月壤和其中玄武岩玻璃及岩屑亲石元素的低钛玄武岩标准化图解。我们选择低钛玄武岩进行标准化，一方面考虑目前的研究认为嫦娥五号玄武岩的原始岩浆具有低钛特征，另外一方面是为了消除月球早期岩浆海演化造成的元素异常。

图7. 模拟的嫦娥五号玄武岩月幔源区单斜辉石含量与KREEP含量的关系。为了满足嫦娥五号玄武岩月幔源区的Sr-Nd同位素组成，其月幔源区KREEP物质不会超过2%。1-1.5% KREEP含量要求月幔源区含有40-60%的单斜辉石（详细的模拟计算过程请见原文）。嫦娥五号月幔源区的¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd和⁸⁷Rb/⁸⁶Sr范围引自Tian et al.（2021）.

该成果主要完成人所在的中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队从上个世纪90年代开始进行微量元素的分析测试和应用研究，建立了多种地质样品消解和疑难元素分析测试方法，在历届国际分析家协会微量元素分析盲样比对的成绩一直名列前茅，团队多年的积淀为本研究的顺利实施提供了强有力的保障。该研究使用的样品由中国国家航天局提供，研究得到了国家航天局民用航天技术预研究项目、国家自然科学基金和地质过程与矿产资源国家重点实验室的大力支持。

文章信息：Keqing Zong, Zaicong Wang*, Jiawei Li, Qi He, Yiheng Li, Harry Becker, Wen Zhang, Zhaochu Hu, Tao He, Kenan Cao, Zhenbing She, Xiang Wu, Long Xiao, Yongsheng Liu, Bulk compositions of the Chang’E-5 lunar soil: Insights into chemical homogeneity, exotic addition, and origin of landing site basalts, Geochimica et Cosmochimica Acta, 2022, https://doi.org/10.1016/j.gca.2022.06.037

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