石卿尚：月球背面广泛存在“KREEP”吗？【SciB，2025】

2025-10-31     发布：【国家重点实验室】王俊懿    点击：19次

由于潮汐锁定效应，月球始终以同一面（正面）朝向地球，另一侧则永远背对地球（背面）。月球正面与背面在地形地貌、岩浆活动和物质组成等方面存在显著差异，正面具有低洼平坦的地势、活跃的岩浆活动、更薄的月壳以及富含KREEP成分的风化层。由于KREEP物质具有强放射性产热能力，很多学者认为正面月表的高KREEP含量反映了深部存在富集区，促使月正深部产生显著的热异常，诱导月幔熔融，进而软化岩石圈、减小月壳厚度等，造就了观察到的月球不对称性现象。然而，月表元素丰度能否代表深部特征尚存疑问，特别是月背深部是否存在KREEP物质尚不明确。近期，嫦娥六号（CE-6）月壤中发现的具有KREEP特征的高铝玄武岩颗粒（如238U/204Pb ~ 1620），使得厘清KREEP在月球背面的分布状况（少量 vs. 广泛分布）成为亟待解决的科学问题。解决这一问题的关键在于获取月背深处的物质与组成信息。CE-6月壤中含有大量源自月背深部的溅射物，为解开这些科学谜题提供了珍贵的研究材料。针对这一科学问题，地质过程与成矿预测全国重点实验室“同位素地球化学”研究团队的石卿尚博士在何永胜教授和朱建明教授共同指导下对CE-6月壤样品开展了系统研究，取得了重要发现。

外来溅射物的地化特征

由于外来溅射物与本地玄武岩在抗风化能力上的显著差异，筛分可将本地风化产物和外来溅射物分别富集在不同粒度的组分内，从而更有效地获取月壤溅射物的地球化学信息。通过对来自~132.6mg的CE-6月壤的筛分样、玄武质岩屑和碰撞角砾开展元素和Sr-Nd同位素系统分析，该研究发现CE-6月壤与玄武质基岩间具有非常大的元素和同位素差异，多项指标间展现良好的混合关系指示外来溅射物对CE-6月壤成分的显著影响（图1）。基于混合模型计算，这些外来溅射物的平均组成具有高Al2O3和Mg#值、低不相容元素含量以及类似于KREEP组分的富集型Sr-Nd同位素特征。

图1：CE-6样品中Mg#与Al2O3（a）、TiO2（b）、87Sr/86Sr（c）及εNd（d）值间的混合趋势。

外来溅射物的含量及各溅射物间的比例

尽管前人已在CE-6月壤中识别出多种外来溅射物，但其在月壤中的占比及各溅射物间的比例关系仍不明确。由于这些溅射物与CE-6基岩的主要矿物均为辉石和斜长石，且不同溅射物的矿物成分存在差异，该研究随机选择了237个月壤中的辉石和斜长石颗粒进行了电子探针成分分析。结果显示11%的辉石和31%的斜长石来自高地岩石，11%的辉石来自超低钛玄武岩，未检测到来自高铝玄武岩的辉石(图2a-d)。结合各溅射物中辉石与斜长石的丰度比，获得CE-6月壤中外来溅射物的比例关系为苏长岩：超低钛玄武岩：斜长岩=11:4.6:1。基于月壤和基岩之间的成分差异，通过f_溅射物=(C_基岩-C_月壤)/(C_基岩-C_溅射物 )可估算外来溅射物的百分比。基于苏长岩、超低钛玄武岩和斜长岩的元素含量均>0 wt.%，且TiO2含量均小于1 wt.%，外来溅射物在CE-6月壤中的比例应介于35% ~ 46%（图2e）。该估计与近期两项独立研究结果完全一致。

图2：（a-d）CE-6月壤中随机分析的斜长石和辉石颗粒的矿物组成；（e）基于月壤含量低于基岩含量的元素所估算的最小外来溅射物混合比例；（f）外来溅射物的现今Sr-Nd同位素组成与其在月壤中占比间的定量模拟。

月背广泛存在KREEP组分及其意义

基于质量守恒，该研究推断外来溅射物的平均Sr-Nd同位素组成具有非常富集的特征(现今87Sr/86Sr>0.70186; 现今εNd<-14.1)。由于超低钛玄武岩和斜长岩均显示低87Sr/86Sr值（图2e），这种富集特征应归因于CE-6月壤中的苏长岩溅射物。Su et al. (2025)的最新研究表明，CE-6苏长岩为碰撞成因：一次贯穿壳幔边界的撞击事件熔融月壳和上月幔，形成大型岩浆房，其冷却堆晶过程最终形成苏长岩。由于这些苏长岩具有极低的Rb/Sr (~0.003)，其富集的Sr-Nd同位素组成表明，在碰撞熔融过程中其源区可能有KREEP组分卷入。这一结论得到近期在嫦娥六号中发现具有KREPP特征的外来碰撞角砾观察的支持。值得注意的是，即使源区存在KREEP组分混入，苏长岩亦可因堆晶作用而贫瘠不相容元素。这一现象表明，月表不相容元素浓度并不能可靠地指示深部KREEP组分的存在与否。

月背存在KREEP组分的记录不支持经典的"LMO不对称结晶"模型（即月背比月正先结晶，导致晚期结晶的KREEP在月正富集)。LMO分异演化过程并未导致KREEP物质在半球尺度上的差异分布。 

上述研究成果发表在国际学术期刊Science Bulletin上：Shi, Q., He, Y., Zhu, J.M., Wu, Z., Chen, S., Sun, A., Yang, S., Wu, H., Wang, Y. & Ke, S. (2025). KREEP-akin exotic materials are likely abundant in Chang’e-6 lunar soil. Science Bulletin.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.08.006