2020年12月，我国首次月球采样任务——嫦娥五号，成功从月球正面返回了1731g样品。该样品不同于以往美国Apollo和前苏联Luna计划，采样于风暴洋北部并记录了迄今为止最年轻的月球岩浆活动（~2.0 Ga），为理解月球内部热演化和表面改造历史提供了关键支撑。基于中国地质大学（武汉）申请到的不同批次月壤粉末样品，“壳幔交换动力学”科研团队汪在聪教授和张文副研究员指导硕士研究生李毅恒在Science Bulletin上发表了题为“Rb-Sr isotopes record complex thermal modification of Chang’e-5 lunar soils”的文章。

Rb-Sr放射性同位素体系被广泛用于天体和地质样品的定年，另一方面，Rb-Sr体系具有较低封闭温度且Rb是极易挥发的元素，具有示踪行星和陨石热改造过程的潜力。“壳幔交换动力学”科研团队张文副研究员利用LA-MC-ICP-MS开发了一种针对行星样品低Rb/Sr比值矿物的微区原位Rb-Sr定年方法（见结尾处相关文章信息），即通过激光线扫描分析模式对样品进行Rb/Sr比值测试，利用得到的最小分析单元进行等时线定年（图1）。研究团队通过该方法对月球玄武岩陨石NWA 10597和辉长岩陨石NWA 6950 进行定年，其结果与SIMS（斜）锆石U-Pb年龄的误差在1-2%以内。

图1 (a) NWA 10597岩相特征及激光线扫描点位。(b)线扫描过程中⁸⁸Sr、⁸⁵Rb和⁸⁷Rb/⁸⁶Sr信号剖面。

研究团队进一步利用该方法对月壤中不同玄武岩岩屑进行分析，同时测试了矿物晶屑和冲击角砾的原位Sr同位素组成以及多批次的大颗粒玄武岩岩屑和月壤全岩高精度Sr同位素（图2）。长石Sr同位素指示嫦娥五号玄武岩初始Sr同位素为0.69971±0.00033（2SD, n=22），结合嫦娥五号的喷发年龄，定义了嫦娥五号Rb-Sr同位素体系2.0Ga等时参考线（图2b）。结果表明，绝大多数月壤、岩石碎屑（~200μm）和冲击角砾偏离了Rb-Sr同位素体系 2.0Ga等时线，说明Rb-Sr同位素体系受到扰动，然而不同样品受到的扰动程度并不一致。

图2 (a)嫦娥五号月壤及玄武岩碎屑全岩Rb-Sr同位素组成，(b)长石原位Rb-Sr同位素组成，(c)单斜辉石、粒间填隙物和凝结集块岩原位Rb-Sr同位素组成，(d)玄武岩角砾线扫描Rb-Sr同位素结果

月壤全岩的Rb-Sr同位素具有不均匀性，而且整体都偏离了2.0Ga等时线（图2a），但是玄武岩大颗粒（~1mm）几乎不受到影响，这表明整体上月壤受到广泛的改造且这种改造主要发生在玄武岩颗粒细粒化过程中。玄武岩岩屑粒间填隙物通常具有较低的熔点以及高的Rb/Sr，因而极易受到Rb丢失的影响。研究表明部分粒间填隙物表现出高的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和极低的Rb/Sr（图2c），这说明这些组分经过Sr同位素的放射性增长而后再经历Rb的丢失，即受到晚期扰动的影响；另一些表现出低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr和低的Rb/Sr，可能代表早期扰动，表明嫦娥五号月壤的受到的扰动是多阶段的，这与玻璃珠定年结果吻合（Long et al., 2022）。此外，通过对玄武岩岩屑Rb-Sr同位素的系统性研究，还发现这些扰动过程不仅包括Rb的丢失，Rb-Sr体系的开放和部分重置过程也加剧了嫦娥五号月壤Rb-Sr同位素的复杂性，同时具有高粒间填隙物含量的岩屑可能受到更强的改造（图2d）。总体而言，本研究通过不同组分月壤的Rb-Sr同位素体系，揭示了嫦娥五号着陆区广泛、多期次、长时间的热改造过程，可能与复杂月表环境和撞击事件有关（图3）。

因此， Rb-Sr体系在天体样品中具有广泛的应用潜力，既可以用于对不改造或弱改造样品的定年（例如NWA 10597和NWA6950），也可用于研究复杂的改造历史（如嫦娥五号月壤）。

图3嫦娥五号月壤受热改造过程示意图

该研究受到国家自然科学基金（42241156）、国家航天局民用航天技术预研究项目（D020205）和中国地质大学（武汉）杰出青年团体项目（G1323523042）的资助。

文章信息：

Li, Yiheng, Wang, Zaicong*, Zhang, Wen*, Zhou, Lian, Zong, Keqing, Feng, Lanping, Li, J., He, Q., She, Z., Wu, X., Hu, Z., Xiao, L., Wu, Y. and Liu, Y. (2023) Rb-Sr isotopes record complex thermal modification of Chang’e-5 lunar soils. Science Bulletin (in press). https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.09.045

Zhang, Wen*, Wang, Zaicong, Hu, Zhaochu, He, Qi, Li, Yiheng, Feng, Yangtong, Liu, Hong, Zhang, Xiaojing, 2022. In situ Rb-Sr Dating of Lunar Meteorites Using Laser Ablation MC-ICP-MS. Atomic Spectroscopy 43 (1) 60-69. http://www.at-spectrosc.com/as/article/abstract/2022007