我院研究团队揭示全月年轻火山活动

  年轻月海玄武岩是月球近期（30亿年以来）火山活动的产物，蕴含月球晚期热演化及月球如何逐步走向死寂的奥秘。我国嫦娥三号对雨海北部的年轻玄武岩单元进行了探测，而嫦娥五号更是直接从风暴洋北部地区采集到了距今20亿年左右形成的玄武岩样品，为我们认识月球晚期火山活动提供了可能。我院行星所科研团队基于嫦娥三号和嫦娥五号任务提供的宝贵地面真值，对全月年轻火山活动进行了研究，重新解译了它们的物质组成并校正了各火山单元的年龄。相关成果发表在《自然·天文学》上，第一作者为中国地质大学（武汉）钱煜奇、佘振兵、何琦，通讯作者为肖龙、汪在聪。

  月球火山活动在雨海纪较为活跃，随着月球逐渐冷却，火山活动也慢慢减弱并集中喷发于风暴洋克里普地体范围内，尤其是风暴洋东部和雨海西部（图1），这可能与风暴洋克里普地体富集放射性生热元素有关。前人认为，这些年轻月海玄武岩具有中钛、高铁的特征。过去数十年，基于地基和轨道光谱数据，多位研究者指出年轻月海玄武岩具有宽缓的1微米和较弱的2微米光谱吸收特征，并将其解释为橄榄石富集的信号。对嫦娥三号原位探测数据和嫦娥五号样品的研究可以有效检验前人观点，深化对月球火山历史的认识。

    图1. 月球年轻月海玄武岩分布及嫦娥三号、嫦娥五号任务着陆位置

  通过对嫦娥三号可见-近红外成像光谱仪和嫦娥五号月球矿物光谱仪数据的分析，我们发现位于雨海西北部和风暴洋北部的年轻月海玄武岩的光谱吸收特征与遥感结果一致，前人认为是橄榄石富集的特征（橄榄石可达50%）。然而，对嫦娥三号粒子激发X射线谱仪和嫦娥五号返回样品的实验室综合分析我们却发现，嫦娥三号和嫦娥五号玄武岩中橄榄石的含量都不到10%，其并不富集。是什么原因造成了前人解译的偏差呢？通过对嫦娥五号月壤主要组成矿物电子探针分析，我们认为这主要是由于月壤中辉石成分特殊造成的（分别有约一半Fe²⁺位于辉石的M1和M2八面体空隙）。

  嫦娥三号和嫦娥五号年轻月海玄武岩矿物组成与前人普遍认识的不同，促使我们思考月球其他年轻月海玄武岩的矿物组成特征是否准确。因为年轻月海玄武岩较为演化的性质，我们采用镁值可变的查找表算法，并基于月球矿物绘图仪数据计算得到了全月年轻月海玄武岩的矿物组成（图2）。我们发现月球年轻月海玄武岩并不富集橄榄石，其平均含量约6%。年轻月海玄武岩区域矿物组成并不均一，存在部分成分特殊区域，如U3（橄榄石含量最高）和U22（橄榄石含量最低）。

图2. 月球年轻月海玄武岩光谱吸收及矿物组成特征

除此之外，嫦娥五号首次采集年轻月海玄武岩（年龄约20亿年）为月球撞击年代学曲线提供了一个关键锚点。该曲线的建立是进行行星表面撞击坑定年的基础，此前该曲线在10-30亿年范围内并没有得到较好标定。因为所有年轻月海玄武岩的年龄都在10-30亿年范围内，因此有必要使用经过嫦娥五号样品校正的新年代学曲线对其年龄进行重新厘定。据此，研究团队使用主动机器学习方法，识别了年轻月海玄武岩区域直径280米以上的撞击坑大小和分布，并基于岳宗玉等人提出的新年代学曲线（Yue et al., 2022），制约了年轻月海玄武岩单元的模式年龄（图3）。

  研究发现嫦娥五号着陆的U2单元年龄为19.5亿年，与样品结果一致；最年轻的月海玄武岩单元位于开普勒撞击坑西北方，年龄约11.9亿年。此外，我们发现年轻月海玄武岩随年龄减小，具有钛含量增加的趋势，但橄榄石含量不具有明显演化特征。全月月海玄武岩喷发随时间逐渐减弱，在20亿年左右存在一个小峰期，形成了包括嫦娥五号玄武岩在内的，广泛分布于风暴洋克里普地体内的年轻月海玄武岩单元，指示可能存在特殊的月幔熔融机制。

图3. 月球月海玄武岩年龄及其演化趋势

研究团队认为此次划分的U3和U17单元具有极高的采样返回价值，分别具有最高的橄榄石含量和最年轻的年龄，对揭示月球晚期热历史及月幔结构具有重要指示意义，应该作为未来月球探测的重点区域。

Qian, Y.†, She, Z.†, He, Q.†, Xiao, L.*, Wang, Z.*, Head, J.W., Sun, L., Wang, Y., Wu, B., Wu, X., Luo, B., Cao, K., Li, Y., Dong, M., Song, W., Pan, F., Michalski, J., Ye. B., Zhao, J., Zhao, S., Huang, J., Zhao, J., Wang, J., Zong, K., Hu, Z. (2022). Mineralogy and Chronology of the Young Mare Volcanism in the Procellarum-KREEP-Terrane. Nature Astronomy, https://doi.org/10.1038/s41550-022-01862-1