内容提要：遥感数据揭示月球风暴洋克里普地体（PKT地体）富集钾和钍等放射性生热元素，这通常被解释为这一区域的月海玄武岩富集克里普组分，可能是导致月球年轻岩浆活动的主要原因，但是该假设还缺乏充分的检验。中国嫦娥五号玄武岩位于PKT地体年轻的地质单元，为回答这一问题提供了绝佳机会。本研究结果表明，嫦娥五号玄武岩富含类似克里普的微量元素组分，与遥感结果吻合；但是其具有非放射性同位素组成，不同于典型的克里普玄武岩。嫦娥五号玄武岩可能起源于富集单斜辉石和含少量克里普质组分的月幔源区；PKT地体内其他年轻玄武岩可能也形成于类似的过程。

风暴洋克里普地体（PKT）是月球表面最重要的地质单元之一，因其在遥感探测中表现出强烈富集K和Th等不相容元素而得名 (Jolliff et al., 2000)。PKT地体分布着广泛的月海玄武岩，其年龄跨度从~ 4.1Ga到~ 1.2 Ga，这些持久的岩浆活动通常认为可能与其富集克里普（KREEP，富K、REE和P元素的一种月球物质）组分密切相关 (Jolliff et al., 2000; Wieczorek and Phillips, 2000)。具有KREEP组分的月球玄武岩在微量元素组成上一般需同时满足两个特征：（1）高的不相容元素含量；（2）不相容元素的比值与理论的urKREEP值相当 (Warren and Wasson, 1979)。此外，目前已知的KREEP玄武岩（例如Apollo 15386）通常具有放射性的同位素组成。然而，从目前的月球样品（包括陨石和返回样品）来看，富含KREEP的玄武岩却十分罕见，绝大多数月海玄武岩样品的Th含量均小于2 μg/g (Korotev, 2005; Hallis et al., 2014)。部分月壤和角砾中发现KREEP组分往往被认为是冲击挖掘过程导致深部KREEP组分的混合加入。因此，根据遥感结果定义的PKT地体是否广泛分布富KREEP组分的玄武岩还存在很大不确定性。该问题的正确回答对月球的成分和岩浆演化具有重要意义。

嫦娥五号来自PKT地体中的Em4/P58地质单元，代表了一次大规模（> 1500 km³）年轻（~ 2.0 Ga）的岩浆活动 (Che et al., 2021; Li et al., 2021)，是理解PKT地体中物质组成的关键样品（图1）。前期研究表明，嫦娥五号玄武岩具有非放射性的Sr-Nd同位素组成，认为其来自不含KREEP组分的月幔源区，经历了低度部分熔融和高程度分离结晶 (Tian et al., 2021)，与~ 3.0 Ga形成的月球玄武岩陨石类似 (Borg et al., 2009; Elardo et al., 2014)。然而，相比于这些陨石，嫦娥五号样品既有更高的Th含量，同时又表现出高的不相容元素比值（例如La/Sm）。因此，嫦娥五号玄武岩是否含有类似KREEP的组分还值得深入讨论。如果存在，这种组分是来自于月幔源区，还是岩浆上升过程中分离结晶或后期混染？此外嫦娥五号玄武岩源区组成还未得到有效约束。

图1 嫦娥五号玄武岩（Em4/P58单元）以及其他年轻玄武岩在PKT地体中的分布。

针对这些关键科学问题，中国地质大学（武汉）壳幔交换动力学科研团队汪在聪和宗克清教授与合作者们，对嫦娥五号不同深度的月壤及其组分（包括钻取月壤、角砾、凝结集块和玄武岩岩屑）中48种主量和微量元素同时进行了准确测定（方法同Zong et al.（2022）），并同时获得了Hf同位素，综合已有发表数据探讨了嫦娥五号玄武岩化学成分、源区组成和演化过程，得到的主要认识如下：

1、嫦娥五号月壤及其组分化学特征。

不同玄武岩岩屑表现出不同的主量和微量元素含量（图2-4），主要是由于测试的玄武岩岩屑粒径较小（一般在0.5-1毫米），矿物模式丰度可能存在差异；但是不同深度月壤、玄武岩岩屑、熔结集块岩的不相容元素比值十分一致，表明样品的不均一性和岩浆分异过程对元素含量有显著影响，但是对强不相容元素的比值影响很小（图3）。这一结果进一步确定了嫦娥五号月壤化学成分整体非常均一，外来加入物非常有限，嫦娥五号月壤化学组成因此可以近似代表着陆区玄武岩的平均成分。嫦娥五号玄武岩具有低的Mg#（34），高FeO含量（22.5%）以及中等的Ti₂O含量（5.1wt%）。嫦娥五号玄武岩和月壤的εHf_initial 值在+40与+46之间，其Hf-Nd同位素相关性符合低钛玄武岩演化趋势（图5），确认了嫦娥五号玄武岩属于低钛玄武岩。

图2 嫦娥五号样品、嫦娥三号、阿波罗和月球陨石的主量元素组成。

图3 嫦娥五号月壤及其组分的微量元素含量和比值。

图4 嫦娥五号玄武岩具有高的微量元素含量（例如5 ppm Th）和类似KREEP的微量元素比值 （例如La/Sm, Nb/Ta, Zr/Hf, La/Yb）。KREEP玄武岩通常具有低的Eu*异常和Ti/Sm比值，但是源区的矿物组成和比例会显著影响它们（例如Apollo 15和17 KREEP玄武岩具有不同的Eu*）。

图5 （a）嫦娥五号样品Nd-Hf同位素具有低钛玄武岩的演化趋势。（b）嫦娥五号单斜辉石Ti#-Fe#落在高钛玄武岩范围。

2、嫦娥五号玄武岩含类似KREEP的微量元素组成。

尽管嫦娥五号玄武岩属于低钛玄武岩，其微量元素的含量和比值显著不同于低钛玄武岩，非常类似于KREEP玄武岩（图4）。嫦娥五号玄武岩的不相容元素（Ba, Th, U, Nb, Ta, Zr, Hf, 和REE）相当于~ 0.3 ×urKREEP（图4），其Th含量（5.1 μg/g）与阿波罗KREEP玄武岩72275相当（5.6 μg/g，图4）。嫦娥五号玄武岩的La/Sm、Zr/Y、Nb/Ta等比值同样表现出与KREEP组分类似的特征（图4），这些特征难以用岩浆演化来解释。例如，月球低钛玄武岩陨石NWA 4734与嫦娥五号玄武岩具有相似的高演化程度特征（Mg# 35-40），但是其La/Sm、La/Yb和Zr/Y比值显著不同于KREEP玄武岩和嫦娥五号玄武岩（图4）。Nb、Ta、Zr、Hf是高度不相容元素，在月球岩浆过程中主要受钛铁矿分离结晶的影响。由于嫦娥五号玄武岩经历的是钛铁矿不饱和演化 (Zhang et al., 2022)，因此Nb/Ta和Zr/Hf能够反映原始岩浆及其月幔源区特征。嫦娥五号玄武岩Nb/Ta-Zr/Hf与KREEP玄武岩类似，而显著高于低钛和高钛玄武岩（图4），这种高Nb/Ta比值的特征可能是urKREEP或晚期熔体在月球岩浆洋晚期月幔倒转过程中与钛铁矿分离导致的 (Münker, 2010)。这些结果表明嫦娥五号玄武岩岩浆含有类似KREEP的微量元素组分。同时，高的Nb和Ta含量以及Nb/Ta-Nb/La等比值支持其源区几乎没有钛铁矿，与Hf-Nd同位素揭示的低钛玄武岩源区结果一致。

需要注意的是，嫦娥五号玄武岩的Sr-Nd-Hf等放射性同位素显著不同于典型的KREEP玄武岩，表现出非放射性的特征，意味着其源区平均的Rb/Sr、Sm/Nd和Lu/Hf等比值显著不同于KREEP玄武岩源区。综合岩石学、主微量元素和放射性同位素数据，嫦娥五号玄武岩是一种低钛玄武岩，含KREEP组分（相当于~ 0.3 ×urKREEP），不同于以往发现的月海玄武岩和KREEP玄武岩。

嫦娥五号玄武岩中不同Mg#（~ 60到<10）的单斜辉石表现出一致的La/Sm和Eu*（图6），说明嫦娥五号玄武岩在上升和分离结晶的过程中没有显著的KREEP质组分混入。此外，嫦娥五号玄武岩具有非放射性的Sr-Nd-Hf同位素，无论是源区部分熔融形成的熔体还是经历显著分离结晶后的熔体，在上升过程中混染不同比例urKREEP的成分都不能同时满足放射性同位素组成与元素含量和比值。因此嫦娥五号玄武岩KREEP质组分来自月幔源区。KREEP层被广泛认为存在于月壳下，并且在月球的热演化过程中扮演重要作用(Wieczorek and Phillips, 2000; Laneuville et al., 2013)。然而，嫦娥五号玄武岩在上升过程中在岩石圈月幔和月壳发生广泛的分离结晶却没有混染KREEP组分，表明至少在Em4/P58单元月壳下方不存在推测的KREEP层。

图6 嫦娥五号单斜辉石Eu*和La/Sm比值稳定，指示嫦娥五号的KREEP微量元素特征不受结晶分异和混染的影响。

3、嫦娥五号玄武岩来自富单斜辉石和少量KREEP质组分的源区。

嫦娥五号玄武岩不同于已知的月球玄武岩，其岩石地球化学特征存在诸多看似矛盾的特征，这其实反映了其源区富集单斜辉石（> 30-60 %）和少量KREEP质组分(1-1.5%)。第一，Nd-Hf同位素以及Nb-Ta含量和比值表明嫦娥五号玄武岩源区几乎不存在钛铁矿，但是嫦娥五号玄武岩具有中等的TiO₂含量（5.1wt%），要求其源区存在其他富钛矿物。月球岩浆洋演化到晚期的单斜辉石（普通辉石）具有高TiO₂、FeO、CaO以及低Mg# （<60-70）的特征，嫦娥五号源区存在普通辉石就能很好的解释钛的来源，也可一定程度上解释嫦娥五号玄武岩的低Mg#值。第二，嫦娥五号玄武岩属于低钛玄武岩，然而其辉石的Fe#（Fe/Fe+Mg）和Ti#（Ti/Ti+Cr）却落在高钛玄武的范围内（图5）。这种看似矛盾的特征指示其源区富集单斜辉石，因为在单斜辉石中Ti属于不相容元素，而Cr是相容元素，富含单斜辉石的源区部分熔融会造成嫦娥五号玄武岩母岩浆具有显著高的Ti#。第三，嫦娥五号玄武岩含KREEP组分，但是其Sr-Nd-Hf同位素却表现出非放射性的特征，这也与源区富集单斜辉石有关。单斜辉石具有低Rb/Sr、高Sm/Nd和Lu/Hf的特征，可以将源区少量KREEP组分的地球化学信号掩盖（图7）。另外，富单斜辉石源区同样符合嫦娥五号Fe-Mg同位素组成和分离结晶模拟的结果 (Su et al., 2022; Jiang et al., 2023; Luo et al., 2023)。因此，月球岩浆洋晚期单斜辉石的富集和少量KREEP组分的存在可以很好的解释嫦娥五号玄武岩低Mg#、富单斜辉石、单斜辉石高Ti#值、类似KREEP玄武岩的微量元素比值、非放射性Sr-Nd-Hf同位素以及其他岩石地球化学特征。

图7 富单斜辉石月幔源区与KREEP组分混合解释嫦娥五号玄武岩的微量元素和Nd同位素组成。注意嫦娥五号玄武岩的大部分不相容元素主要由源区粒间KREEP组分的贡献（图b中的蓝色线条）。

4、PKT地体大规模年轻岩浆活动及其可能的喷发机制。

嫦娥五号玄武岩在FeO、Ti、Th含量和矿物组成上验证了遥感探测的结果。这表明与嫦娥五号具有类似地球化学特征和成因的年轻玄武岩可能在PKT地体中广泛存在（图8）。由于单斜辉石不富集Pb，玄武岩初始Pb同位素（或μ值）可能反映了月幔源区粒间熔体（通常称为TRAIL）的U、Th含量。嫦娥五号具有中等的μ值（~ 680；Li et al., 2021），其源区U、Th含量高于平均月幔（e.g., Th: 200-300 ng/g vs 50 ng/g)。这些略微高的放射性生热元素含量和单斜辉石源区的低熔点可能是导致月球年轻玄武岩喷发的关键因素，这一认识还有待未来深入研究。

图8 嫦娥五号玄武岩的月幔源区富单斜辉石和少量KREEP或晚期熔体组分模式图以及PKT地体其他大规模年轻岩浆活动。

致谢：感谢中国探月与航天工程中心提供的嫦娥五号月壤宝贵样品，感谢自然基金委地球化学学科月球专项项目的前瞻布局和鼎力支持，感谢中国地质（武汉）领导和同事的长期关心和帮助。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：Wang Z.C.*, Zong K.Q., Li Y.H., Li J.W., He Q., Zou Z.Q., Becker H., Moynier F., Day J. M. D., Zhang W., Qian Y.Q., Xiao L., Hu Z.C., She Z.B., Hui H.J., Wu X. and Liu Y.S. (2024) Young KREEP-like mare volcanism from Oceanus Procellarum. Geochimica et Cosmochimica Acta 373, 17–34. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.03.029

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