月球岩浆洋演化的实验岩石学研究进展

由于缺少直接来自月球深部的岩石样品,实验和计算模拟是认识早期月球演化过程的有效方法和手段。20世纪70年代以来,陆续开展了大量的实验岩石学和实验地球化学工作对月球岩浆洋(lunar magma ocean,LMO)演化模型进行验证和修正。但是,学界对LMO模型中的两个关键性参数,即初始物质组成和熔融深度,仍然存在不同的认识。根据月震和重力探测数据推测的平均月壳厚度的差异、月球样品含水量的研究以及新的遥感数据解译发现月表广泛分布富镁铝尖晶石(Cr#<5)等等,直接影响我们对月球初始物质组成和LMO深度以及月球深部高压矿物相的评估。本文通过整理高温高压实验岩石学和实验地球化学在研究LMO演化方面的一系列研究成果,主要聚焦以下几个科学问题:(1)月球初始物质组成中的难熔元素和挥发分含量,以及LMO深度对月壳厚度、结晶矿物的种类及含量有着决定性的影响;(2)高压矿物相石榴子石在月球深部稳定存在的可能性及其对残余岩浆中微量元素的分配行为的制约;(3)特殊类型的月球样品(包括火山玻璃、镁质岩套等)的成因机制对月球深部物质组成具有指示意义;(4)月核的不同物质组成对LMO模型的初始成分含量,特别是微量元素的限定作用。我们以最新的观测数据和月球样品的分析结果为依据,对已有的LMO演化模型进行重新评估,提出月球深部含有石榴子石的LMO演化模型的可能性,并对该方向亟需开展的工作进行探讨。

热力学计算模拟对初始月幔结构的约束

月球岩浆洋结晶形成的初始月球内部结构是其后续演化过程的开端,其结晶过程受月球岩浆洋的初始深度和物质组成这两个参数的制约。由于缺少直接来自月球深部的岩石样品,目前关于月球岩浆洋演化过程的探讨主要依赖实验和计算模拟手段。岩浆洋模型中形成的月壳厚度是否与探测结果一致是月球岩浆洋演化模型合理性的重要约束。最新的GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)探测数据推算月壳厚度为34~43km,低于阿波罗时期认为的约70km,这对已有的月球岩浆洋演化模型提出了挑战。本文采用并修正FXMOTR程序包,针对月球岩浆洋在不同的初始深度和物质组成情况下的结晶过程,进行了一系列热力学计算模拟。通过量化月球岩浆洋的初始深度和物质组成对月壳厚度的影响,结合关于月球内部微量元素分配的研究结果,对比了月球岩浆洋结晶后期的残余熔体与原始克里普组分(urKREEP)的成分。本文的模拟结果显示,一个全月幔熔融且初始成分为月球初始上月幔组成(LPUM)的岩浆洋将在其深部结晶2.5%石榴子石,形成的月壳厚度符合GRAIL的约束,并且结晶出了合适的urKREEP成分。在此模型的基础上获取了月球初始的内部成分和密度结构,并对后期月幔翻转(Overturn)的程度进行了探讨。

低氧逸度结晶分异对上部月幔矿物组成的影响

氧逸度是岩浆结晶分异的重要影响因素.低氧逸度会影响岩浆的结晶序列和矿物组成.月球样品指示月球具有比地球和火星更低的氧逸度环境(较铁-方铁矿氧化还原缓冲对低一个对数单位,大约IW-1).现有的月球岩浆结晶分异实验多未考虑低氧逸度对结晶分异的影响,实验中普遍使用石墨样品仓,氧逸度条件约为IW+1.5,显著高于月球的真实氧逸度值,从而影响了月球内部矿物模型的建立和月球探测任务的数据解释.本研究尝试利用活塞圆筒设备,通过改变样品仓的组成,在0.8 GPa、1280℃的条件下,模拟低氧逸度下的上部月幔结晶分异过程.其中,样品仓的选择可以显著改变样品的氧逸度,实验中Pt-Fe双层样品仓可降低氧逸度至约IW,Fe样品仓可降至IW-1.1,BN样品仓可降至IW-2.4,质量百分数为4%的Si粉可降至IW-4.8,但均会对样品成分造成一定的影响.实验结果显示氧逸度对上部月幔熔体结晶的矿物组合和比例有显著的影响.随着氧逸度的降低,结晶矿物中橄榄石的比例降低甚至消失,斜方辉石的比例大幅增加.这一结果与月球遥感数据和嫦娥四号对南极艾特肯盆地的探测结果相吻合,为认识上部月幔组成提供了新的参考依据.