從古至今，月球一直是人們心中的詩與遠(yuǎn)方，尤其是在中秋佳節(jié)，對皎皎明月的贊美更是不甚枚舉?！梆┢钱?dāng)空寶鏡升，云間仙籟寂無聲；平分秋色一輪滿，長伴云衢千里明。”是宋代詩人李樸在中秋賞月時發(fā)出的感嘆，面對滿月當(dāng)空，有幸身處太空時代的我們又該以何種姿態(tài)賞月呢？中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實驗室博士生劉小瑩在導(dǎo)師林楊挺研究員的指導(dǎo)下，利用納米離子探針來觀察嫦娥五號玄武巖中隕硫鐵的硫同位素特征。此“硫”似彼“留”，月夕最流連。
自嫦娥五號（CE-5）樣品返回以來，不同團(tuán)隊對月壤的基本物性、礦物化學(xué)、結(jié)晶年齡和源區(qū)特征等進(jìn)行了研究，表明月球比人們想象中更加“長壽”，但“長壽”的原因仍是未解之謎。為了進(jìn)一步探究CE-5源區(qū)與硫相關(guān)的地球化學(xué)特征，我們對CE-5玄武巖中的硫化物開展了系統(tǒng)的巖相學(xué)、礦物化學(xué)和原位S同位素組成分析。
CE-5玄武巖中的硫化物以隕硫鐵(FeS)為主，以及極微量的黃銅礦(CuFeS2)、方銅礦(CuFe2S3)和鎳黃鐵礦((Fe, Ni)9S8)（圖1）。隕硫鐵是磁黃鐵礦(Fe1–xS)的變種，磁黃鐵礦在地球上十分常見，而隕硫鐵在地球環(huán)境中幾乎難以形成。這是因為月球和地球的氧化還原條件很不一樣，月球是一個十分還原的星球，熔體中的S都是以S2-的形式存在，主要在巖漿的晚期與還原的Fe2+結(jié)合形成隕硫鐵。隕硫鐵主要有三種巖相背景（圖2）：（1）包裹于輝石或斜長石中，表明可能結(jié)晶較早；（2）分布于填隙物中，可能是從最后的殘余熔體中結(jié)晶出來，是晚期結(jié)晶的產(chǎn)物；（3）分布于膠結(jié)物中。不同巖相背景的隕硫鐵具有相似的化學(xué)成分，幾乎是純的Fe和S，其他微量元素的含量都極低。
圖1 CE-5玄武巖中硫化物的背散射掃描電子顯微鏡圖像。（Tr：隕硫鐵, Ol：橄欖石, Px：輝石, Pl：斜長石, Ap：磷灰石, llm：鈦鐵礦, Cpy：黃銅礦, Cub：方銅礦, Pen：鎳黃鐵礦, Q：石英, Bdy：斜鋯石）
圖2 三種巖相背景的隕硫鐵。(a)輝石中的隕硫鐵包裹體。(b)和(c)填隙物中的隕硫鐵，細(xì)粒的隕硫鐵在數(shù)量上占主導(dǎo)。(d)膠結(jié)物中的隕硫鐵。
我們選取不同巖相背景的隕硫鐵（大部分粒徑小于15μm）進(jìn)行納米離子探針分析以獲得原位硫同位素特征。納米離子探針已被廣泛應(yīng)用于行星科學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域，是獲取微小顆粒原位同位素和微量元素組成的利器。其極高的空間分辨率和較高的靈敏度使得它在分析微小礦物上相對于LA-ICP-MS和離子探針更有優(yōu)勢，尤其是一些天體樣品，粒徑往往很小，納米離子探針的優(yōu)勢得以顯現(xiàn)。CE-5玄武巖中隕硫鐵的硫同位素特征如下：d34S值分布于-1.6 0.3‰至2.0 0.3‰，無明顯非質(zhì)量分餾（圖3）；d34S值與隕硫鐵的巖相背景相關(guān)，其中包裹于礦物中的隕硫鐵顆粒具有偏重的d34S，平均為1.5 0.3‰，而分布于填隙物中的細(xì)粒隕硫鐵具有較寬的分布范圍，平均為-0.2 0.3‰。
圖3 CE-5隕硫鐵的S同位素組成。
上述分析表明隨著結(jié)晶和去氣，巖漿的d34S值呈下降趨勢，這與巖漿去氣導(dǎo)致殘余熔體的d34S逐漸降低相一致。月球樣品普遍受到巖漿去氣的影響，CE-5玄武巖中磷灰石和熔體包裹體的水與氫同位素分析表明水經(jīng)歷了高程度的去氣丟失（98-99%，Hu et al., 2021, Nature），在此過程中其他揮發(fā)性物質(zhì)如硫等也應(yīng)該同樣會因去氣而丟失。如果不校正去氣所導(dǎo)致的丟失，那么追溯月幔源區(qū)的S豐度時，結(jié)果將會偏低，而S同位素的分餾正好為S的去氣程度提供了有效制約。我們假設(shè)d34S的變化全部歸因于巖漿去氣，并且將隕硫鐵包體的最高d34S值視為最初結(jié)晶的隕硫鐵的d34S值，根據(jù)隕硫鐵與熔體之間的分餾系數(shù)，即可得到初始熔體去氣前的d34S以及熔體的平均d34S。利用Saal和Hauri(2021)建立的巖漿去氣模型得到CE-5熔體的d34S從最初的0.5‰演化到-1.0‰需要40%的S從熔體中去氣丟失（圖4）。在這種去氣丟失程度下，CE-5熔體噴發(fā)前的初始S豐度校正為~600 300 ppm（圖4）。又由于CE-5玄武巖來源較單一，且經(jīng)歷了2-3%的部分熔融和43-88%的分離結(jié)晶(Tian et al., 2021, Nature),據(jù)此推測得到對應(yīng)源區(qū)的S豐度為~1-10 ppm，明顯低于阿波羅玄武巖源區(qū)的78.9 ppm。CE-5玄武巖源區(qū)強(qiáng)烈的S虧損與貧水特征是一致的(Hu et al., 2021, Nature)，這進(jìn)一步支持CE-5月幔源區(qū)可能經(jīng)歷過多次熔體抽取事件，將揮發(fā)性物質(zhì)（如硫, 水等）帶離源區(qū)，而貧揮發(fā)分的巖漿源區(qū)對于長期的火山活動是一個挑戰(zhàn)。
圖4 月球樣品的巖漿去氣模型。（阿波羅樣品的數(shù)據(jù)來自Saal and Hauri, 2021）
研究成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters（劉小瑩，郝佳龍，李瑞瑛，何雨旸，田恒次，胡森，李靜，谷立新，楊蔚，林楊挺*。Sulfur Isotopic Fractionation of the Youngest Chang’e-5 Basalts: Constraints on the Magma Degassing and Geochemical Features of the Mantle Source. Geophysical Research Letters. 2022, 49, e2022GL099922.https://doi.org/10.1029/2022GL099922）
美編：陳菲菲
校對：萬鵬
