月球岩石

月球岩石样本有两个来源，一个是从月球表面采集的，另一个是落在地球表面的月球陨石。

从1969年7月20日美国第一艘载人飞船在月球静海成功着陆，到1972年6月* * *有6次阿波罗登月任务，带回381.7公斤的岩石和土壤样本。前苏联的三次无人登月任务带回了326克月球岩石土壤样本。历史登陆地点和时间见表28-1和表28-2。

20世纪以来，中国、印度等国家都制定了自己的登月和采样返回计划。美国正在实施新的月球返回计划，日本的探月计划也在实施中。因此，在不久的将来，人类有可能获得大量的月球样本和探测数据。

表28-1阿波罗登月活动表

表28-2前苏联月球岩石样品采集活动表

月球岩石的另一个重要来源是月球陨石。当小天体撞击月球表面时，巨大的撞击能量使月球表面的岩石和土壤汽化融化，包裹一些岩石碎片和角砾岩向外飞溅，形成相应大小的撞击坑。这些飞溅物中的熔融物质迅速冷却形成玻璃，并迅速胶结形成各种碎片和角砾岩。当溅射物质的速度大于月球逃逸速度时，可以脱离月球引力场，进入星际空间。在星际空间运行一段时间后，被地球捕获并降落在表面，成为月球陨石。

目前已回收160多块月球陨石，在沙漠和南极发现约77对月球陨石。根据岩石学和化学成分，月球陨石有三种端员类型:(1)高Al2O3 (26% ~ 31%)、低FeO (3% ~ 6%)、低不相容元素(Th < 1 μ g/g)的角砾状斜长石。(2)高FeO (18% ~ 22%)、中低Al2O3 (8% ~ 10%)和不相容元素(Th: 0.4 ~ 2.1 μ g/g)的玄武岩和角砾状玄武岩；(3)冲击熔融角砾岩(Al2O3: 16%，FeO: 11%)，不相容元素含量很高(Th33μg/g)。这种岩石被称为KREEP岩石，因为它与阿波罗样本中的KREEP岩石相似(Korotev，2005)。此外，有些陨石是中性成分的复合角砾岩，因为它们同时含有斜长石和玄武岩。虽然月球陨石的成分范围差异很大，但各种成分参数加在一起，使其有别于地球物质。

作为端元类型，上述(3)类月球陨石的数量很少(只有Sayh al Uhaymir 169)，目前发现的大部分月球陨石不含高K、REE、P、th等不相容元素的岩石碎块(即所谓的KREEP)。这与前苏联阿波罗和月球飞船从月球带回的样品形成鲜明对比，这些样品大多含有不同含量的富KREEP岩石。造成这种现象的原因其实很简单。由于这些月球陨石都是由于流星体的撞击而从月球上未知的地方溅射出来的随机样本，所以美国的阿波罗飞船和前苏联的月球飞船从月球带回的样本都是在月球正面非常有限的区域内(仅占月球表面积的5%)获得的， 并且这个采样区域位于月球正面有地球化学异常的风暴Procellarum KREEP Terrane (PKT)内或附近(Jolliff等，因此月球陨石是比较有代表性的月球样品，可以提供月球外壳的矿物成分和平均化学成分。

月球陨石的分类是基于它们的矿物、结构、岩石学和化学成分。这些不同的分类方案有时会令人困惑，例如，地球化学家将它们归类为长石或铝石，而石油学家将它们称为斜长石或风化角砾岩。

(2)月球岩石的类型和特征

构成月球表面的基本岩石-构造单元有三个，即月海玄武岩区，主要由月海玄武岩和克雷普岩石组成。高地岩石，主要由斜长石和富镁岩套组成；南极-艾肯盆地地区由玄武岩和富镁岩系组成。一般来说，月球岩石可分为四类:玄武岩、角砾岩、原始高地岩石(斜长石)和风化层(月壤)(图28-2)。

图28-2四个典型的月球岩石样本

1.玄武岩

月球上的玄武岩大部分分布在正面月海中，少量玄武岩也分布在背面的大型撞击坑中。

月球上的月海一般比周围高地低1 ~ 4 km，多为环状。主要由火山物质组成，但月球上的火山几乎都是平坦的，坡度为1: 500 ~ 1: 2000，这与月海玄武岩的低粘度、高流动性有关。粤海玄武岩的产状有熔岩流、火山渣锥、火山穹窿、火山脊、火山隧道等。熔岩流的范围也很可观，最大面积达2×105km2，相当于美国哥伦比亚高原玄武岩的面积，但它们的厚度只有十几到几十米，最厚的达1000m。火山渣锥的尺度比地球上的小，火山渣的喷射速度相当于地球上喷射速度的1/3 ~ 1/10，表明月球玄武岩中含有低挥发物质。典型月海玄武岩的微观结构如图28-3所示。

图28-三月海玄武岩(视野宽度8毫米)

现存粤海玄武岩的最早年龄为4.2Ga，最晚约为2.0Ga，均晚于高地火成岩的年龄。大多数人认为月海玄武岩是月球内部(月球地幔)部分熔融的产物，其中一部分与撞击熔融事件密切相关。月球玄武岩中钛的含量变化很大。按Ti含量可分为高钛玄武岩(TiO 2 > 6%)、低钛玄武岩(TiO 2 1% ~ 6%)和超低钛玄武岩(TiO 2 < 1%)。与阿波罗月海玄武岩样品相比，已知月球陨石中全岩TiO2相对较低。到目前为止，月球陨石中还没有发现高钛玄武岩成分，低钛玄武岩成分只在月球玄武陨石中发现过。超低钛玄武质成分在月球玄武质陨石和混合角砾岩月球陨石中已有报道。与地球玄武岩相比，它具有以下特点:

(1)FeO的含量明显高于地球玄武岩。地球玄武岩的Mg/(Mg+Fe)变化范围为0.45 ~ 0.75，而月球玄武岩为0.35 ~ 0.65。月球玄武岩中对应的橄榄石和辉石属于富铁种，如橄榄石中的Fo75~Fo80，大部分橄榄石为铁橄榄石。岩浆成分反演表明，地球玄武岩源区Mg/(Mg+Fe)为0.91，而月球玄武岩源区Mg/(Mg+Fe)为0.80 ~ 0.82。提出月球地幔比地幔富铁，可能与月球没有分化为富铁核有关。

(2)K2O和Na2O的含量明显低于地球玄武岩。K的丰度与地球低K大洋拉斑玄武岩相似，约为0.36%，Na仅为地球玄武岩的1/5。相应月球玄武岩中的斜长石属于高钙型，以钙长石为主，有少量倍性，基本不出现钾长石。因为K和Na在熔岩中分布均匀，所以K和Na的低丰度是由于源区缺乏这两种元素，而不是因为它们具有挥发性。

(3)月球玄武岩形成于还原环境，普遍出现天然Fe和FeS，缺乏Fe3++(仅占1%)。90%的Cr以Cr2++的形式出现，70%的Eu是Eu2++，4%的Ti是Ti3++，所有的Ce都是Ce3++。没有Ce4++的证据。月球玄武岩含有少量一氧化碳气体。岩浆中的FeO与C反应生成CO和自然Fe。这种反应发生在岩浆上升到地表的过程中，深度约为3公里。

(TiO _ 2含量变化较大，常作为月球玄武岩进一步分类的依据。在高钛玄武岩中，钛铁矿是一种常见的副矿物。

(5)月球的火山产物除玄武岩外还包括火山玻璃球，广泛分布于月球土壤中。火山口附近分布的火山玻璃球年龄与月海玄武岩相似，进一步证明了它与月海火山作用密切相关，排除了与高地月壳有关的可能性。

玻璃球的直径大多在0.1 ~ 0.3 mm之间，颜色多样。橙色的含Ti较高(TiO2含量为9.3%)，成分特征与阿波罗11的玄武岩及其之间的橙色玻璃相似，但略富含Mg、Zn、Cl、Cu、Pb等挥发性元素。球体表面附着有飞溅状液滴，成分与主玻璃球一致，可能是低速飞溅的物质。阿波罗15附近的红色和黄色玻璃球与上述成因类似，也是火山。

(6)由于月球表面没有水和氧气，岩石没有风化蚀变，岩石新鲜，没有含水矿物。比如月球玄武岩的结构保持了岩浆结晶的特征结构，类似于未风化的地球玄武岩。

图28-4月海玄武岩、KREEP和由球粒陨石标准化的典型斜长石的稀土元素丰度。

2.氪石

这是一块非常特殊的月球岩石。这种岩石含有高含量的Th、U、K、REE和P元素(图28-4)，因此被称为“KREEP”岩石。因为阿波罗中许多复杂的角砾岩撞击岩富含Th和REE，并倾向于富含所有不相容元素。Warren & Wasson (1979)认为月球地壳中几乎所有不相容的元素都来自一个结构相同的岩浆房——很可能是一个岩浆海洋残留物，名为urKREEP。urKREEP虽然像KREEP，但它是一种想象中的物质，不会保持原来的形态，因为一旦形成就会加入富镁岩浆的同化反应(Warren，1998；帕皮克等人，1996).

KREEP岩石多为角砾岩或玄武岩的填隙物，呈填隙玻璃，最大粒径范围仅为150μm..这种高度演化的成分可能是岩浆结晶分离的最终产物，也可能是在陨石撞击下低级部分熔融结晶形成的。后来，在阿波罗14的岩石样品中还发现了花岗岩、高Al和K的玄武岩、高丰度KREEP的斜长石和橄榄石，进一步证实了月球岩石中存在高演化程度(分异度)的残余熔体，部分岩石是原始岩浆同化混染的产物。

与阿波罗和月球土壤样品相比，大多数月球陨石(高地月球土壤角砾岩)明显缺乏KREEP。近期月球Th、u、k探测结果的全球分布表明，阿波罗和月神的样品采集区正好是KREEP富集区(Lawrence et al .，2002)。

3.高地摇滚

月球高地的大部分近地表样本都是来自古代月球高地的撞击。然而，很少有高地岩石完全没有被撞击过程所改变。高地岩石主要由斜长石、富镁岩系和冲击角砾岩组成。

4.斜长石

斜长石是月球高地月球地壳的主要成分，在月球背面分布最广。斜长石组成的斜长石为富钙钙钙长石(AN95 ~ 97)和少量低钙辉石，暗示母岩浆规模大，成分均一。斜长石是构成原始月球外壳的最重要的岩石类型。斜长石的Rb-Sr等时线年龄为4.13 ~ 4.25 Ga，87Sr/86Sr初始值为0.699。

斜长石系列具有独特但不完全同质的成分。James等人(1989)提出根据碱性硅酸盐的Mg值和斜长石的碱含量进一步分类。图28-5显示了斜长石的典型结构和成分特征。

图28-5原始高地岩石(8毫米宽)(根据华盛顿大学)

5.名爵套房

这些岩石包括正长岩、橄榄石、纯橄榄石、尖晶石橄榄石和辉长斜长石，它们构成了一个富镁深成岩组合，可能是堆积岩。堆积岩中Mg最高的包括一些超基性岩，但只有纯橄榄岩72415(Dymek等人，1975)的质量大于1g，其他一般都是不具有代表性的橄榄岩样品。高钙辉石形成于富镁系列岩浆结晶序列的较晚阶段。辉长岩斜长石相对罕见，与正长岩相比，倾向于具有较低的Mg和较高的Na/(Na+Ca)。一些演化程度最高的初始月岩类型，如碱性岩套和少量花岗岩，与富镁岩套和/或KREEP极其不同。一些采集的花岗岩样品显示非常清晰的毫米级硅酸盐液相不混溶(Warren等人，1987；乔利夫等人，1999)

6.月亮角砾岩

月球角砾岩是月球岩石中一种特殊的岩石类型。根据阿波罗飞船采集的月球地壳岩石分析结果，60%以上的岩石是各种高地岩石撞击破碎和部分熔融形成的角砾岩。根据角砾岩的结构特征，角砾岩可分为以下几种类型。单组分角砾岩由原地产生的破碎岩石角砾岩或熔融重结晶的角砾岩组成。双组分角砾岩是由原地产生的碎岩角砾岩或受冲击熔化的重结晶角砾岩和夹有细脉的角砾岩(以双组分角砾岩命名)组成。多元角砾岩由碎屑、月壤角砾岩和冲击玻璃粘合而成。

这些角砾岩的岩石类型、矿物和化学成分极不均匀。由于多种类型的岩石受冲击破碎，部分熔融粘结，角砾岩、角砾岩中的玻璃和胶结物具有多源性的特点。图28-6是月球角砾岩的典型宏观特征。图28-7 ~ 28-10是角砾岩的显微结构照片。有关详细说明，请参见插图。

图28-6 SAU 169月球陨石

图28-7冲击角砾岩(视野宽度4毫米)

图28-8月壤角砾岩(视野宽度8毫米)

7.月岩和月壤的年龄

最古老的月球岩石是罕见的橄榄岩和橄榄石，它们代表了月球初始熔化后最先凝固的岩石的年龄。月球高地斜长石的年龄为4654.38+0亿~ 44亿年，代表了斜长石的月壳年龄，后续的花岗质火成角砾岩年龄为40亿~ 4654.38+0亿年。玄武岩是最年轻的月岩，弗拉莫罗高地年龄38.7亿~ 39.6亿年，月海年龄32亿~ 38亿年，是月球不同时期岩浆作用的产物:(1)静海玄武岩35亿~ 39亿年(低钾玄武岩37.4亿~ 39.3亿年，高钾玄武岩32.3亿~年)。(2)澄海金牛-利特罗峡谷的玄武岩碎屑和玻璃样品年龄为3765438+亿~ 37.9亿年，与静海玄武岩相当；(3)玉海玄武岩33亿~ 34.5亿年；(4)凤福海玄武岩34.2亿~ 34.5亿年，相当于玉海玄武岩；(5)风暴洋玄武岩年龄为32亿至33亿年。

图28-9月壤角砾岩(视野宽度4毫米)(根据华盛顿大学)

图28-10月壤角砾岩(视野宽度4mm)(根据华盛顿大学)

月壤的年龄为43亿~ 46亿年，是月球地壳岩石破坏的产物，月壤年龄近似反映了月球地壳的形成年龄。图28-11显示了月壤中不同成分的颗粒。

图28-11月壤(视野宽度4mm)(据华盛顿大学)

(3)研究月球陨石的意义

目前，人类了解和研究月球表面成分的途径主要有三种:阿波罗和月神从月球带回的月球岩石样本、月球轨道器获得的遥感数据和月球陨石。它们各有利弊。月球岩石样品的采样位置和地理方位是已知的，地质背景也是清楚的，但这些样品都取自月球约5%的区域，即月球正面赤道附近，地球化学异常区(风暴洋)附近，所以仅靠这些样品很难解决月球的全球性问题。遥感数据是全球性的，但分辨率普遍较差，无法获得准确的成分数据；月球陨石的具体来源、位置和地理方位一般不容易知道，所以地质背景模糊，但完全是随机样本，具有较广泛的代表性(月球正面和背面；赤道、两极)，可以提供月球外壳的矿物成分和平均化学成分。因此，月球陨石成为人们了解和研究月球的重要研究对象。

对月球陨石的研究有利于全面了解月球外壳的物质组成。而且，通过对月球陨石的岩石学、矿物学和地球化学的研究，还可以获得月球的形成和演化特征(Wiechert等人，2001)、月球早期撞击事件(Cohen等人，2000)和太阳系氧同位素组成(Ireland等人，2000)等许多信息。此外，月球陨石的化学成分、矿物学和岩石学特征也可作为月球轨道器遥感探测的地面标准参考点。我国的嫦娥一号探月卫星目前正在对月球进行探测，因此开展月球陨石的研究不仅具有重要的科学意义，而且具有特殊的现实意义。