近日，西北大学大陆演化与早期生命全国重点实验室、西北大学—香港大学地球与行星科学联合中心联合中国科学技术大学，对嫦娥五号返回的月壤样品（编号：CE5C0200）开展了系统研究。团队通过微区原位钛同位素地球化学分析，揭示嫦娥五号玄武岩的源区混入了富含钛铁矿的“堆晶层”物质（ilmenite-bearing cumulate，简称 IBC）。相关成果以“In-situ titanium isotopic compositions of ilmenite in Chang’e-5 basalts reveal contributions from ilmenite-bearing cumulate”为题发表在国际岩石学权威期刊《Journal of Petrology》上，为揭示月球年轻火山活动的成因提供了关键新证据。

嫦娥五号玄武岩：藏在月球深处的“钛铁矿密码”

玄武岩是火山喷发形成的岩石，也是研究行星内部结构和活动的“窗口”。与地球玄武岩相比，月球玄武岩有个显著特点——钛含量变化极大，从不到1% wt.%，到超过15% wt.%，反映出月幔存在显著的化学组成不均一性。通常据此将其分为“低钛型”和“高钛型”两类。令人关注的是，嫦娥五号（CE-5）返回的玄武岩的Ti含量介于二者之间，处于高钛与低钛玄武岩的过渡区，被认为是理解月幔演化过程的关键样品（图1）。

图1 地球和月球玄武岩TiO2含量对比

科学界普遍认为，在月球形成早期，曾覆盖着一片巨大的熔融岩浆海洋，即“月球岩浆海”（Lunar Magma Ocean, LMO）。随着岩浆逐渐冷却结晶，富含钛的矿物——钛铁矿可能大量聚集，形成一层钛铁矿堆晶层（IBC），并因密度较大而发生重力下沉，进入月幔深部。

关于20亿年前形成的嫦娥五号玄武岩一个关键科学问题尚未明确：在嫦娥五号玄武岩演化过程中IBC是否参与了岩浆演化。为回答这一问题，研究团队将目光投向了对岩浆演化过程极为敏感的“示踪剂”——钛同位素。由于钛铁矿更倾向富集轻钛同位素，其分离结晶有望在月球玄武岩中留下可识别的同位素信号。随着高精度微区原位激光剥蚀Ti同位素分析技术的发展，使得在矿物尺度上分析同位素变化成为可能。

第一条线索：辉石的钛含量异常升高

研究团队运用矿物自动定量分析系统（TIMA）、电子探针（EPMA）、激光剥蚀-四极杆电感耦合等离子体质谱（LA-Q-ICP-MS）与激光剥蚀-多接受电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）等技术对六颗CE-5玄武岩岩屑进行原位Ti同位素和地球化学分析。结果显示，CE-5辉石在岩浆演化早期就已经表现出高于低钛玄武岩的Ti含量，并且随着结晶分异过程急剧升高（图2A）。这一趋势无法仅用铁镁矿物的分离结晶来解释，指示源区或演化过程中可能引入了额外的富钛物质——IBC。

第二条线索：嫦娥五号母岩浆富含钛铁矿成分

根据月球岩浆洋假说，岩浆洋不同阶段结晶的矿物会组成不同玄武岩源区。通常86 PCS（percent crystallized solid：固化的比例）代表单斜辉石组成，95 PCS代表钛铁矿组成。进一步对富镁辉石（Mg# > 60）的稀土元素特征进行模拟表明，CE-5母岩浆可由单斜辉石和钛铁矿混合源区（86 PCS + 95 PCS）产生，并经历 2~3% 的部分熔融及约70%的分离结晶形成（图2B），为IBC参与提供了独立证据。

图2熔体Ti含量变化与REE模拟源区组成演化

第三条线索：钛铁矿中的同位素差异

研究团队进一步分析了钛铁矿的钛同位素组成，并发现了耐人寻味的现象。CE-5样品中钛铁矿主要呈现块状和针状两种形态，两者δ49Ti明显不同——块状钛铁矿（0.01‰–0.18‰）显著偏重，而针状钛铁矿（−0.09‰–0.04‰）则相对偏轻（图3）。模型显示，在月球岩浆海晚期，随着钛铁矿不断富集，堆晶层整体密度和δ49Ti会逐渐升高（图4）。这些“更重、更致密”的晚期IBC更容易发生重力翻转并下沉进入月幔。因此，块状钛铁矿中偏重的同位素信号，很可能记录了这些晚期下沉IBC重新参与熔融并混入源区的过程。

图3月球玄武岩与月球钛铁矿δ49/47Ti对比（阿波罗样品钛同位素数据来自Millet et al. (2016)，Kommescher et al. (2020)。陨石数据来自Deng et al. (2023)，Anguelova et al. (2024)）

而针状钛铁矿中较轻的δ49Ti又指示了什么？研究排除了岩浆上升过程中元素扩散造成的同位素分馏：即使在极端情形下，该效应引起的δ49Ti偏移也不足0.02‰，远小于实际观测到的变化幅度。同时，钛铁矿内部主量元素变化有限，Ti的扩散速率极低。相反，早期形成的IBC本身具有较轻的Ti同位素组成，且密度低于晚期IBC，更可能残留在原始位置并在后期岩浆活动中被携带进入熔体。因此，岩浆演化过程中掺入轻同位素IBC，是解释针状钛铁矿特征的合理方案（图5）。

图4 月球IBC密度及δ49/47Ti随岩浆演化的系统变化

图5 钛铁矿δ49/47Ti随Mg#变化关系

推论：月球风暴洋克里普地体源区存在钛铁矿堆晶层

嫦娥五号着陆区位于风暴洋的克里普地体（PKT），该区域玄武岩普遍富钛。研究推测，南极—艾特肯盆地的大型撞击事件，可能曾将富钛 IBC重新分配至月球近侧，使其内部更易发生熔融。上月幔中残余的钛铁矿能够降低源区熔点，从而促进岩浆产生，这也为月球近侧火山活动持续至约20亿年前提供了新的解释。

综合矿物学、地球化学与原位Ti同位素证据，研究表明嫦娥五号玄武岩的源区并不均一，而是由单斜辉石（86 PCS）和钛铁矿（95 PCS）共同组成。研究进一步指出，IBC可能存在同位素分层：晚期下沉的堆晶体富集重 Ti同位素，而轻 Ti同位素组分则在后期岩浆演化过程中混入源区。月球近侧PKT区域的上月幔可能仍保存部分未下沉的IBC，这为维持长期火山活动提供了重要物质基础。

图6 CE-5玄武岩成因演化示意图

西北大学地质学系硕士研究生程昱栋为本论文的第一作者，西北大学地质学系黄康俊教授和中国科学技术大学邓正宾教授为共同通讯作者，主要合作者包括西北大学/香港大学赵国春院士、西北大学陈立辉教授、张超教授、宋文磊教授、陈开运高级工程师、郭壮副教授、王小均副教授、以及王星博士、马婧茹硕士，香港大学王祥松研究助理教授也参与了本项工作。样品得到国家航天局嫦娥五号返回月球样品的支持（CE5C0200）。该研究得到国家自然科学基金（42373061、42373040）的共同资助。

论文链接：https://academic.oup.com/petrology/advance-article-abstract/doi/10.1093/petrology/egag017/8471756?redirectedFrom=fulltext&login=true

相关参考文献：

Millet, M.-A., Dauphas, N., Greber, N.D., Burton, K.W., Dale, C.W., Debret, B., Macpherson, C.G., Nowell, G.M., Williams, H.M. (2016). Titanium stable isotope investigation of mag-matic processes on the Earth and Moon. Earth Planetary Science Letters 449, 197-205. http://doi.org/10.1016/j.epsl.2016.05.039.

Kommescher, S., Fonseca, R.O., Kurzweil, F., Thiemens, M., Münker, C., Sprung, P. (2020). Unravelling lunar mantle source processes via the Ti isotope composition of lunar basalts. Geochemical Perspectives Letters 13, 13-18. http://doi.org/10.7185/geochemlet.2007.

Deng, Z., Schiller, M., Jackson, M.G., Millet, M.-A., Pan, L., Nikolajsen, K., Saji, N.S., Huang, D., Bizzarro, M. (2023). Earth’s evolving geodynamic regime recorded by titanium isotopes. Nature 621, 100-104. http://doi.org/10.1038/s41586-023-06304-0.

Anguelova, M., Vilela, N., Kommescher, S., Greber, N.D., Fehr, M.A., Schönbächler, M., 2024. Constraining the mass-dependent Ti isotope composition of the chondritic reservoir–An inter-laboratory comparison study. Geochimica et Cosmochimica Acta 372, 171-180. https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.01.026.