近日，西北大学 - 香港大学地球与行星科学联合中心、西北大学地质学系大陆演化与早期生命全国重点实验室赵国春院士团队联合香港大学、南洋理工大学、美国新墨西哥大学等团队，在嫦娥五号月壤样品研究中取得重要进展。研究团队在嫦娥五号月壤中识别出一枚部分熔融的外来橄长岩岩屑，通过扫描电镜、电子探针、聚焦离子束 - 透射电镜和拉曼光谱等多技术联合分析，揭示了其中低钙辉石（LCP）的撞击成因。相关成果以 “Impact-induced formation of low-Ca pyroxene in a partially melted troctolitic clast from the Chang’e-5 lunar regolith” 为题，发表于国际地球化学权威期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》，为理解月球大型撞击盆地周围低钙辉石信号的来源、重新评估月幔组成提供了关键依据。

1.月球深部物质组成的长期争论

认识月球深部物质组成，是约束月球内部结构、反演早期岩浆洋演化过程的核心基础。遥感观测结果显示，月球大型撞击盆地周围普遍出现橄榄石与低钙辉石的光谱信号，其中南极 - 艾肯盆地周边更以低钙辉石信号为主。这一现象引发了行星科学界的长期争议：月球上月幔的主要矿物究竟是橄榄石，还是低钙辉石？厘清低钙辉石的成因与物质来源，成为解答这一问题的关键突破口。

2. 嫦娥五号月壤中外来橄长岩岩屑识别

研究团队从嫦娥五号月壤样品（CE5Z0403YJFM）中筛选识别出一枚尺寸约 50×60 微米的外来岩屑。该岩屑呈玻基斑状结构，由橄榄石（约 29 vol%）、辉石（约 32 vol%）和长石质玻璃基底（约 39 vol%）三部分组成。

其中橄榄石为高镁橄榄石，边缘呈现熔蚀港湾状，发育明显的反环带结构（图1）：核部相对富铁，边部富镁，Fo 值从核部约 90.4 升高至边部约 93.4，核部平均 Fo 值约 92.1。辉石以长柱状微米级集合体形式产出，边缘发育树枝状纳米微晶，电子探针成分分析显示其为低钙辉石（En₅₂–₆₄.₉Fs₂₈.₈–₃₆.₇Wo₅.₃₁–₁₁.₃）（图1）。玻璃基质富集 Ca 和 Al，二者比值接近 1:2，成分与钙长石高度吻合。

图1 嫦娥五号外来岩屑背散射及X射线图像

矿物化学验证表明，辉石的 Fe/Mn 比值落在嫦娥五号玄武岩的成分范围内（图2a），确认其月球成因；但其主量元素组成与嫦娥五号着陆区玄武岩中的辉石存在显著差异（图2d），说明该岩屑并非本地月海玄武岩碎屑，而是经撞击作用溅射搬运至此的月球橄长岩物质。

通过与已报道的月球原生橄长岩样品对比，该岩屑富 MgO、FeO，贫 Al₂O₃、CaO 的全岩化学特征与阿波罗 14 号样品更为接近，在斜长石 An# 与橄榄石 Mg# 成分图解中，归属于 Ⅰ 类富镁橄长岩类型（Shervais and McGee, 1999）。

图2 外来岩屑与镁质岩套及嫦娥五号着陆区玄武岩的矿物化学特征对比

3. 低钙辉石的撞击成因证据与形成机制

借助聚焦离子束 - 透射电镜（FIB-TEM）技术，研究团队进一步解析了辉石的微观结构与成分特征：辉石具有清晰的成分环带，核部低 Ca、富 Fe，边部和枝晶区域富 Al、Ca。选区电子衍射结果证实，辉石核部为易变辉石（低钙单斜辉石），边部、枝晶及雏晶为普通辉石（图3）。定量成分分析显示，辉石核部 Ca 含量平均约 0.36 at%（Wo ≈ 3.7），边部 Ca 含量升高至约 3.84 at%（Wo ≈ 21.5）。

图3 辉石的透射电子显微分析

结合多维度观测结果，研究团队提出该低钙辉石为撞击后熔体快速重结晶的产物，核心依据包括：

成分差异：辉石的主量元素组成与原生镁质岩套中的辉石存在明显差异；

结构形态：辉石呈长柱状，边部垂直长轴方向生长大量树枝状纳米微晶，是熔体快速冷却条件下沿最快生长方向优先生长的典型特征，所需冷却速率远高于月球内部火山过程；同时强过冷环境会抑制橄榄石成核，转而促进低钙辉石成核并形成树枝状形貌；

结晶序列：辉石核部为低钙易变辉石，边部、枝晶及雏晶为高钙普通辉石，符合硅酸盐熔体中辉石正常的结晶演化序列；边部富Al高钙辉石的镁值高于核部低钙辉石，指示了熔体逐渐富镁，与观察到的撞击诱导橄榄石富铁组分优先熔融匹配；

缺失出溶结构：镁质岩套中的原生辉石通常发育出溶现象，而该岩屑中的辉石未观察到此类结构。

结合橄榄石的反向环带、熔蚀边特征以及斜长石质玻璃基质的存在，研究团队判断该岩屑是橄长岩经撞击作用发生部分熔融后，快速冷却结晶形成的产物；元素质量平衡计算表明，橄榄石与钙长石发生部分熔融后重结晶，可形成 “低钙辉石 + 富铝高钙辉石” 的矿物组合，反应过程可简化为：CaAl₂Si₂O₈ + (Mg,Fe)₂SiO₄ = 2 (Mg,Fe) SiO₃ + CaAl₂SiO₆，而钙长石向富铝高钙辉石转变过程中释放的 Si 元素，恰好补偿了低钙辉石形成所消耗的 Si，因此整个熔融 - 重结晶过程中 Si 元素的总含量保持稳定。

4. 岩屑来源与科学意义

该岩屑中橄榄石 Fo 值高达 92.1，全岩 MgO 含量达 25.6 wt%，指示其母岩来源于月球下月壳甚至上月幔深度。只有大型撞击盆地（如南极 - 艾肯盆地、雨海盆地）的撞击作用能够穿透月壳，将此类深部物质挖掘至月球表面。

成分对比显示，该碎屑的矿物化学特征与阿波罗 14 号 Fra Mauro 高地样品高度相似，而后者被普遍认为是雨海盆地的溅射物；结合前人报道的嫦娥五号月壤中高 Mg# 撞击玻璃珠、以及溅射物传输数值模拟结果，均支持嫦娥五号月壤中存在雨海盆地的远端溅射物质。同时遥感观测数据显示，雨海盆地边缘广泛分布富橄榄石和低钙辉石的光谱信号，嫦娥五号着陆区内的衡山（Mons Heng）地区也识别出低钙辉石异常。

基于以上证据，研究团队推测该岩屑的形成与搬运过程为：最初由雨海盆地的大型撞击事件挖掘抬升至月球表面，后经衡山地区的再次撞击作用，二次搬运至嫦娥五号着陆区。

基于本研究的矿物学观察，月球大型撞击盆地周围观测到的低钙辉石遥感信号，可能有相当一部分来自由富橄榄石岩性（如橄长岩）受撞击改造形成的物质，而非月球深部物质的直接挖掘。该研究为解译月球遥感数据、约束月球深部物质组成，以及理解无大气天体的撞击改造过程提供了全新的研究视角与关键证据。

作者简介：西北大学地质学系郭壮副教授为论文通讯作者，西北大学地质学系博士生/助理工程师白杨为第一作者。西北大学地质学系大陆演化与早期生命全国重点实验室与西北大学-香港大学地球与行星科学联合中心为论文第一单位。其他合作作者包括香港大学钱煜奇，美国新墨西哥大学Charles K. Shearer，南洋理工大学Shichuan Sun、Simon A.T. Redfern，西北大学黄康俊、陈立辉、董云鹏以及西北大学/香港大学赵国春院士等。此项研究获得国家自然科学基金项目支持。

文章信息：Bai, Y., Guo, Z., Qian, Y., Sun, S., Ma, J., Huang, K., Chen, L-H., Dong, Y., Redfern, S.A.T., Shearer, C.K., Zhao, G., Impact-induced formation of low-Ca pyroxene in a partially melted troctolitic clast from the Chang’e-5 lunar regolith, Geochimica et Cosmochimica Acta (2026)

https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.09.038