月球形成于约45亿年前的一次大撞击事件。古老的月球样品对理解行星早期分异和演化至关重要。

经典岩浆洋模型认为，早期月壳的形成和演化经历了两个主要阶段。第一个阶段是岩浆洋冷却过程中，后期结晶的斜长石漂浮并聚集至岩浆洋表面，形成以斜长岩为代表的原始月壳。第二个阶段是岩浆洋凝固后，高密度富钛铁矿堆晶层的下沉造成月幔翻转，导致早期形成的下月幔经历减压熔融，产生镁质岩套，引发月壳的再造。而对斜长岩和镁质岩套的年代学测定结果显示，二者形成时间几乎同时。这一现象表明，月壳的形成和再造可能是一个连续的过程，但具体的机制仍是一个谜。

近日，bat365在线平台官方网站（北京）同位素地球化学实验室王水炯教授课题组和国内合作者开展联合研究，在嫦娥五号月壤中发现，一块来自月球高地的斜长岩岩屑内包裹了符合镁质岩套母岩浆基本特征的初始熔体（图1）。这一现象为月球斜长岩与镁质岩套母岩浆同时形成的推测提供了直接的岩相学证据。

图1 初始熔体的岩相学与地球化学特征

研究团队对该熔体开展了地球化学和热力学模拟研究，发现该镁质岩套母岩浆形成于含斜长石的、富斜方辉石上月幔熔融（~85km；1225℃，图2）。据此，研究团队提出，月壳的形成是一个连续的过程（图3）。在月球岩浆洋冷却形成斜长质月壳的同时，浅层结晶的高密度富钛铁矿堆晶由于重力不稳定下沉，首先造成上月幔小规模原位翻转，导致上月幔富斜方辉石层上升，与浅部斜长石混合形成了镁质岩套的源区；此阶段产生的镁质岩套母岩浆被斜长岩捕获，产生了本研究所观察到的现象。随着钛铁矿堆晶持续下沉并在深部月幔聚集，最终引发大规模的全月幔翻转，导致富橄榄石下月幔的减压熔融，形成相对年轻的镁质岩套母岩浆。 

 图2 初始熔体相平衡计算结果

 图3 月球早期演化示意图

该研究表明，上月幔熔融是衔接月球原始月壳形成和月壳再造的桥梁。成果发表在最新一期《communications earth & environment 》杂志上：Si-Zhang Sheng, Bin Su, Shui-Jiong Wang, Yi Chen, Qiu-Li Li, Hao Wang, Hejiu Hui, Shitou Wu, Bo Zhang, Jiang-Yan Yuan. Orthopyroxene-dominated upper mantle melting built the early crust of the Moon。

bat365在线平台官方网站（北京）博士生盛思彰和中国科学院地质与地球物理研究所苏斌副研究员是该论文共同第一作者，通讯作者为bat365在线平台官方网站（北京）王水炯教授，合作者包括中国科学院地质与地球物理研究所陈意研究员、李秋立研究员、王浩副研究员、吴石头高级工程师、原江燕高级工程师，南京大学惠鹤九教授以及北京大学张波副教授。bat365在线平台官方网站（北京）为第一单位，该研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s43247-024-01574-6