月球作為地球的天然衛(wèi)星，質(zhì)量只有地球的1/81。根據(jù)“月球巖漿洋（LMO）”假說，月球早期被一層厚達數(shù)百公里的全球性巖漿層所覆蓋。隨著巖漿洋逐漸結(jié)晶，不相容元素如鉀（K）、稀土元素（REE）和磷（P）等不斷富集在殘余熔體中，在月殼與月幔的交界處形成了被稱為KREEP（克里普）的特殊組分層。由于KREEP組分中富含放射性生熱元素，它被廣泛認為是驅(qū)動月球晚期火山活動的關(guān)鍵熱源?？紤]這種熱源因素，傳統(tǒng)熱演化模型計算與阿波羅樣品研究均指示月球的內(nèi)部巖漿活動應(yīng)該止于30億年前。

    這一傳統(tǒng)觀點在嫦娥工程返回樣品研究后被徹底顛覆，我國嫦娥五號和六號返回樣品研究表明，月球正面存在20億年前的大規(guī)模巖漿活動，甚至1.2億年前仍存在小規(guī)模巖漿活動，月球背面也發(fā)現(xiàn)了28億年前的巖漿活動。更令人疑惑的是，年輕的嫦娥五號和嫦娥六號玄武巖均顯示源區(qū)貧水和放射性生熱元素，那么到底是什么機制決定了月球晚期的巖漿活動，這已經(jīng)成為國際月球與行星科學(xué)界面臨的共同難題。

    在這項最新研究中，科研團隊對一顆2023年在非洲西北部新發(fā)現(xiàn)的月球玄武巖隕石——NWA 16286進行了系統(tǒng)的地球化學(xué)與年代學(xué)研究。研究人員利用離子探針（SIMS）對樣品中的斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石等含鋯副礦物和其它主要硅酸鹽礦物中的鉛同位素進行原位分析，通過鉛-鉛等時線定年確定其形成于2201 ± 13 百萬年前，這是目前國際上最年輕月球隕石，較第二名年輕了約800 百萬年。

圖1 NWA 16286的巖相學(xué)特征。該隕石呈現(xiàn)斑狀結(jié)構(gòu)，斑晶為較為自形的橄欖石，基質(zhì)主要由細粒的橄欖石、細板條狀熔長石和環(huán)帶較為明顯的單斜輝石組成。副礦物相包括針狀鈦鐵礦，高鈦鉻鐵礦以及鈦鐵尖晶石

    更令人驚訝的是，該隕石的月幔源區(qū)表現(xiàn)出異常的地球化學(xué)特征：其238U/204Pb高達 2000，遠超大多數(shù)月海玄武巖（通常為60–1000）；同時其εNd(t) 值低至 –4.3，與典型KREEP玄武巖源區(qū)非常接近。這些特征明確表明，該玄武巖源自一個富集KREEP組分的月幔源區(qū)。這一發(fā)現(xiàn)將月球KREEP相關(guān)的火山活動的存續(xù)期延長了約 8億年，續(xù)寫了月球“熱引擎”的功能。

圖2 NWA16286的Pb-Pb等時線。(a) 共計76個多礦物測點擬合的Pb-Pb等時線；(b) 上圖等時線靠近y軸交點處放大圖，突出顯示含鋯礦物測點數(shù)據(jù)

    研究團隊對所有已知年代與其源區(qū)同位素特征的月海玄武巖進行了系統(tǒng)匯總和分析。結(jié)果顯示，月海玄武巖的活動可以分為三個類似規(guī)律的時段：39–35億年、34–30億年和28–22億年，每一階段均展現(xiàn)出由KREEP虧損源區(qū)向KREEP富集源區(qū)的演化趨勢，暗示其背后可能存在共同的影響機制。

圖3 月海玄武巖源區(qū)U-Pb和Sm-Nd的演化規(guī)律

    為解釋這一現(xiàn)象，該研究提出了兩種可能的動力學(xué)機制：

    階段性月幔翻轉(zhuǎn)：早期結(jié)晶形成的富鈦、富KREEP的堆晶層在重力作用下逐步下沉，誘發(fā)底部原始地幔的補償性上涌，形成減壓熔融。這一過程使得初期形成KREEP虧損巖漿，隨后深部KREEP物質(zhì)參與熔融造成富集巖漿。

    月幔柱活動：月球深部可能存在一個部分熔融層，當(dāng)其與上覆月幔的溫差超過一定閾值（約750 °C）時，可通過瑞利–泰勒不穩(wěn)定性形成富KREEP的上升熱柱，誘發(fā)上覆月幔的減壓熔融。這些熱柱可能在上升過程中攜帶并逐漸釋放KREEP成分，形成從虧損到富集巖漿的演化過程。

圖4 帶KREEP組分的月幔對流

    這項研究從年代學(xué)和地球化學(xué)兩個角度結(jié)合，明確了月球在22億年前仍存在KREEP相關(guān)的火山活動，并提出了相關(guān)的內(nèi)部熱機制模型。隨著未來月球樣品采集任務(wù)的推進，以及更精細的數(shù)值模擬方法的引入，科學(xué)家有望進一步揭示月球深部結(jié)構(gòu)與其長期火山活動之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)。這一研究不僅為月球演化史增添了關(guān)鍵證據(jù)，也為探索類地行星內(nèi)部熱演化機制提供了重要參考。

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