月球表面覆蓋著一層由膠結物、巖石碎片、角礫巖、礦物碎屑、玻璃質(zhì)物質(zhì)、隕石碎片等物質(zhì)組成的月壤。月壤是月球的“外衣”，更是月球內(nèi)外動力共同作用形成的月球特產(chǎn)，對揭示月球的內(nèi)外動力演化具有重要價值和意義。嫦娥五號月壤主要來自風暴洋北部的EM4單元的玄武巖，年齡僅約20億年，比以往任何月壤都年輕，為揭示月球內(nèi)外動力演化拓展了時間坐標。遙感探測研究指示嫦娥五號著陸區(qū)的外來巖屑的比例可達10?20%，但返回樣品的研究結果顯示嫦娥五號月壤主要由本地月海玄武巖組成，極少有外來物質(zhì)（非月海），僅發(fā)現(xiàn)七顆鎂質(zhì)巖套和一顆鐵隕石碎片。嫦娥五號月壤中是否存在其他非月海物質(zhì)？如何發(fā)現(xiàn)這些非月海物質(zhì)？是一個非常有挑戰(zhàn)和有價值的課題。
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中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所碩士研究生邱夢凡、胡森研究員、南京大學惠鶴九教授，以及我所月球樣品研究團隊，對嫦娥五號月壤中的非月海物質(zhì)進行了系統(tǒng)的識別和表征。他們借助顯微CT對一份月壤（CE5C0600YJFM00305，2g）進行了三維掃描和識別，發(fā)現(xiàn)一顆約0.9 × 1.2 mm2的疑似的非月海巖屑（CE5C06#3,G9；圖1）。他們后續(xù)挑選出了這顆巖屑，并進行了包埋制靶，對這顆巖屑進行了更為詳細的巖相、礦物化學、高壓相、Pb-Pb定年和同位素分析，旨在揭示其形成過程和演化歷史。
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圖1 CE5月壤CE5C0600YJFM00305的顯微CT分析結果。CT測量結果的橫截面顯示了疑似的非月海巖屑（紅色圓圈區(qū)域）、月海玄武巖和玻璃珠等物質(zhì)
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圖2 CE5C06#3,G9巖屑的巖相圖（a）和礦物分布圖（b），虛線勾勒的區(qū)域被一些細粒的月球塵埃填充
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他們發(fā)現(xiàn)CE5C06#3,G9的巖相特征（圖2）與月海玄武巖形成鮮明對比。CE5C06#3,G9主要由斜長石（46.5%），異變輝石（30.9%），富鉀和富硅的顆粒間填隙物（17.0%），鉀長石（4.12%）和二氧化硅（0.87%）組成，還含有少量的鈦鐵礦（0.38%）、隕磷鈣鈉石（0.19%）、磷灰石（0.04%）、隕硫鐵（0.04%）和斜鋯石。根據(jù)斜長石An#（Ca/(Ca+Na+K)，atom %）與輝石Mg#（Mg/(Mg+Fe)，atom %）的分類標準（圖3），CE5C06#3,G9屬于稀少的月球堿性巖（Highlands Alkali Suite, HAS），這也是首次在嫦娥五號月壤中發(fā)現(xiàn)來自高地的堿性巖屑。
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圖3 月球高地巖屑的分類圖，CE5C06#3,G9屬于堿性巖屑
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他們對這顆堿性巖屑進行了斜鋯石的鉛-鉛（Pb-Pb）定年分析，獲得年齡為3913±7Ma（圖4），這一年齡顯著年輕于此前報道的Apollo任務中堿性巖屑和鎂質(zhì)巖套的結晶年齡 (約4.3Ga)。目前還很難區(qū)分這一年齡究竟是結晶年齡還是沖擊年齡。這一年齡可能有兩種解釋：（1）代表這顆堿性巖屑的結晶年齡，說明月球侵入型巖漿活動在3.9 Ga前仍然相當活躍；（2）代表沖擊事件的年齡，與雨海盆地的形式時間相當。
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他們發(fā)現(xiàn)CE5C06#3,G9這顆堿性巖屑在月球上經(jīng)歷過強烈的沖擊變質(zhì)。該巖屑雖然未發(fā)現(xiàn)沖擊熔脈和熔融囊，但所有二氧化硅相都發(fā)生了相變，轉(zhuǎn)變?yōu)橘愂ⅰ⑺故⒑蛽糇儾ＡВ▓D5），斜長石轉(zhuǎn)變成熔長石，鉀長石轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡВ▓D5）。他們估算這顆堿性巖屑經(jīng)歷了10-53 GPa的峰值壓力和約1800 K峰值溫度的沖擊事件。在CE5月海玄武巖的形成之后（約20億年），另一次較弱的撞擊事件把這顆巖屑搬運到CE5月壤的采樣點，并被采集返回地球。
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圖4 CE5C06#3,G9中斜鋯石的Pb-Pb定年結果，誤差為2σ
圖5 CE5C06#3,G9中二氧化硅及其高壓相礦物的巖相圖
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研究成果發(fā)表于國際學術期刊Icarus (邱夢凡，胡森*，何會存，岳宗玉，惠鶴九*，郝佳龍，李瑞瑛，芶盛，谷立新，唐旭，李金華，楊蔚，田恒次，張馳，張迪，毛騫，賈麗輝，李曉光，陳意，吳石頭，王浩，林楊挺，李獻華，吳福元. Discovery of a highly shocked alkali suite clast in the Chang'e-5 lunar soils [J]. Icarus, 2025, 429: 116448.DOI: 10.1016/j.icarus.2024.116448.)。該研究得到中國國家自然科學基金（42241103和42241104）、中國科學院戰(zhàn)略先導B（XDB 41000000）和中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所重點研究計劃（IGGCAS-202204和201904）的聯(lián)合資助。感謝中國國家航天局（CNSA）提供研究樣品。