在人类眼中，月球似乎是一个沉寂已久、死气沉沉的天体。基于嫦娥五号玄武岩样品获得的最年轻火山记录为20亿年前，指示月球岩浆活动停滞较早。然而，最新的嫦娥五号研究成果却打破了这一火山生命极限：科研人员发现了距今仅约1.2亿年的火山喷发形成的玻璃珠（王碧雯/张谦等，2024，Science）！相比于嫦娥五号月海玄武岩的放射性同位素定年揭示的20亿年之前大规模溢流式火山喷发，这一发现将月球火山活动时限再次延长了约19亿年！这项工作迅速在国际学术界引发了热烈的讨论，且对现有月球热演化模型提出了新的挑战：月球内部是如何存储了足够的热能，来驱动如此年轻的火山活动？
针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所的张谦博士后在陈意和李秋立研究员的指导下，与苏斌副研究员和刘嘉惠博士后合作，基于嫦娥五号样品中三颗火山玻璃珠的主量元素和微量元素成分，开展了热力学相平衡计算和放射性生热模拟，探讨了1.2亿年前月球火山活动的成因。
相对于月海玄武岩，火山玻璃珠具有较高的MgO含量，未经历明显的分离结晶，被认为可以近似代表原始岩浆成分。嫦娥五号火山玻璃的成分比较特殊：从主量元素的角度，它们具有较低的TiO2含量（~1.2 wt%），与Apollo低钛-极低钛火山玻璃类似；然而，从微量元素的角度，它们具有较高的不相容元素含量，如Th，U，REE等元素，与Apollo高钛火山玻璃类似（图1）。此外，它们的Na2O (∼0.96 wt%)、K2O (∼0.38 wt%)、P2O5 (∼0.32 wt%)含量也较高。这种主、微量元素特征在此前的月球火山玻璃中从未出现，指示嫦娥五号火山玻璃源自于一种富集不相容元素的特殊月幔。
图1 嫦娥五号火山玻璃珠的主量与微量元素组成特征。(a) 嫦娥五号与阿波罗火山玻璃珠的 MgO 含量与 SiO₂ 含量关系图；(b) MgO 含量与 TiO₂ 含量关系图；(c)球粒陨石标准化稀土元素（REE）分布图；(d) 嫦娥五号火山玻璃珠与玄武岩、阿波罗火山玻璃珠与 KREEP 玄武岩，以及高钾 KREEP 的球粒陨石标准化微量元素分布图
传统观点认为，月幔中富集不相容元素的物质来源是月球早期岩浆洋阶段结晶最晚期（约44亿年前）形成的原始克里普（KREEP）物质，该物质可能参与形成了38亿年之前的KREEP玄武岩、高铝玄武岩和镁质岩套、碱性岩套等深成岩。这种原始KREEP物质虽然在月球演化早期扮演了重要角色，但考虑到它是月球上最易熔的物质之一，其改造原始月幔的能力可能很难维持到1.2亿年前。因此，需要考虑其它富集不相容元素的物质作为嫦娥五号火山玻璃珠月幔源区的组成部分。一些特殊的基性岩浆，如KREEP玄武岩（源区含有或岩浆混染了KREEP物质）和嫦娥五号玄武岩（经历了低程度部分熔融和高程度分离结晶）也比较富集不相容元素，并具有交代改造原始月幔的能力。因此，他们综合考虑了以上三种交代原始月幔的潜在物质（原始KREEP，KREEP玄武岩，高度演化玄武岩），开展了热力学相平衡计算和放射性生热模拟。
基于三颗火山玻璃的主量元素成分，使用THERMOCALC软件开展了热力学相平衡模拟。通过多相饱和点（MSP）计算，恢复出嫦娥五号火山玻璃的月幔源区深度约为150﹣300 km，且原始月幔组分主要由橄榄石+斜方辉石构成（图2）。部分熔融模拟结果显示，只有向源区中加入经历了低程度部分熔融和高程度分离结晶的玄武质岩浆组分（以嫦娥五号玄武岩为代表），才能最大程度重现出火山玻璃的成分（图3）。考虑到这三颗火山玻璃是风暴洋克里普地体内部的年轻火山喷发产物，下伏月幔中可能存留有未喷发、与嫦娥五号玄武岩类似的岩浆，这种未经喷发而“夭折”的高度演化玄武岩可作为富集端元交代浅部月幔。
图2 嫦娥五号火山玻璃珠的相平衡计算结果。多相饱和点的压力-温度（P–T）条件计算结果为 7.7–15.2 kbar、1387–1448 °C；液相线上平衡的原始月幔矿物组合为橄榄石+斜方辉石
图3 月幔源区部分熔融计算结果。该源区由月球岩浆洋结晶形成的原始月幔端元（橄榄石+斜方辉石）与嫦娥五号玄武岩混合而成。模型中，月幔源区包含不同比例（10%、20%、30%、40%、50%）的嫦娥五号玄武岩成分
高度演化的玄武质岩浆通常富含K，Th，U等放射性生热元素，它们能否给1.2亿年前的火山活动提供足够的热能呢？为此，他们进一步开展了放射性生热模拟。以嫦娥五号玄武岩的组分为例，如果在月幔200 km深度存在足够规模的滞留岩浆房（>2 km厚），在经历了~19亿年的放射性热积累后，其周围月幔的温度可以超过其固相线温度（图4），从而诱发周围交代月幔熔融。
图4 放射性加热数值模拟结果。假设富集 K/Th/U （以嫦娥五号玄武岩成分作为输入参数）的基性岩浆层厚度分别为 1 km (a)、2 km (b) 和 3 km (c)，埋藏于 200 km 深处；放射性热产率约为 1.21 μW·m⁻³（由其 K₂O 含量 0.15 wt%、Th 含量 5.1 ppm、U 含量 1.3 ppm 计算得出）。图中灰色虚线为不同热产率（0.5、1.0、1.5、2.0 μW·m⁻³）条件下的加热曲线，用于与红色曲线（1.21 μW·m⁻³）对比
该研究从“夭折玄武岩生热”这一新视角，提出了月球近期火山成因新模型（图5）：月幔中保存的高度演化且未喷发的基性岩浆，富集放射性生热元素，不仅可以交代周围月幔，还可通过长时间积累放射性生热，引起局部热异常并触发周围月幔低程度部分熔融，产生小规模岩浆活动。喷发的玄武岩凸显了早期月球的旺盛生命力，未能喷发并留在月幔中的玄武岩仍可长期贡献放射性热能，从而维持月球内部岩浆活力。
图5 ~1.2亿年前月球火山活动的成因模式图
研究成果发表于国际学术期刊GRL（张谦，陈意*，苏斌，刘嘉惠，李秋立，李献华. Long-term radiogenic heating by abortively erupted basalts triggers 120 Ma lunar volcanism [J]. Geophysical Research Letters,2025. e2024GL114438. DOI: 10.1029/2024GL114438.）。研究受国家自然科学基金（42225301,42241105,42403008）、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202401）、博新计划（BX20220294），香港研究资助局与中国科学院联合资助项目（JLFS/P-702/24和17308023）共同资助。
张谦（博士后）
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