我國嫦娥五號月球探測器于2020年12月著陸于月球正面風暴洋克里普地體（Procellarum KREEP Terrane，PKT）的東北部，并成功采回1731 g月壤樣品。前人對返回樣品的研究推進了對月球年代學、月球晚期火山活動和巖漿演化機制的認識。斜鋯石是月球玄武巖中常見的副礦物，廣泛用于U-Pb年代學研究；同時，撞擊作用可能會導(dǎo)致斜鋯石發(fā)生形變和相變。因此，斜鋯石的研究對于確定巖石的形成時代和演化歷史具有重要意義。月球樣品中斜鋯石的成因機制主要有兩種：一種是在巖漿晚期結(jié)晶形成，結(jié)晶形成的斜鋯石通常呈板狀或葉片狀，與其他后期結(jié)晶產(chǎn)物共生；另一種是高溫條件下鋯石分解的產(chǎn)物，常呈蠕蟲狀或顆粒狀，與二氧化硅共生，鑲嵌于殘余鋯石邊緣。這些不同的成因機制為我們理解月球巖石的形成和演化提供了重要線索。

中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）科研人員在一個嫦娥五號玄武巖巖屑樣品中發(fā)現(xiàn)了兩種不同形貌的斜鋯石，根據(jù)斜鋯石的形貌特征將其分為兩類：（1）大顆粒斜鋯石，大小約為4-5微米，被富鐵輝石包裹（圖1b-c）；（2）小顆粒斜鋯石集合體，由多個幾十至幾百納米的小顆粒斜鋯石聚集而成，非晶質(zhì)二氧化硅充填在顆粒之間，包裹于富鐵輝石中（圖1d-f）。其中，小顆粒斜鋯石集合體的形貌及其與二氧化硅共存的特征，與鋯石在1673°C高溫下的分解產(chǎn)物相似。因此，研究人員對這兩種不同形貌的斜鋯石進行了系統(tǒng)的巖相學和晶體結(jié)構(gòu)分析，以探討其成因及演化歷史。

圖1 大顆粒斜鋯石（b-c）和小顆粒斜鋯石集合體（d-f）的背散射圖像

數(shù)值計算顯示，當嫦娥五號玄武巖巖漿演化至后期，巖漿中的Zr含量仍低于鋯石的飽和度，難以結(jié)晶出鋯石。此外，目前發(fā)現(xiàn)的小顆粒斜鋯石集合體只與巖漿晚期結(jié)晶產(chǎn)物共生，且其周圍的硅酸鹽礦物未顯示高溫熱事件的證據(jù)。因此，推測小顆粒斜鋯石集合體可能為巖漿結(jié)晶產(chǎn)物，因形成溫度不同而形成兩種不同形貌的斜鋯石。

電子背散射衍射（EBSD）數(shù)據(jù)顯示兩種形貌的斜鋯石均經(jīng)歷了從高對稱性二氧化鋯（高溫相：四方晶系/立方晶系，高壓相：斜方晶系二氧化鋯）到斜鋯石（單斜晶系二氧化鋯）的相變過程，指示其可能經(jīng)歷過高溫或高壓事件。結(jié)合巖相學結(jié)果，針對該晶體結(jié)構(gòu)特征，提出三種可能的解釋：（1）巖漿結(jié)晶出的高對稱性二氧化鋯，在巖漿溫度下降時相變?yōu)樾变喪?；?）巖漿結(jié)晶斜鋯石后經(jīng)歷過高溫事件，導(dǎo)致其發(fā)生相變；（3）巖漿結(jié)晶斜鋯石后經(jīng)過了高壓事件，導(dǎo)致其發(fā)生相變。由于巖相學觀測上缺乏極高溫事件發(fā)生的證據(jù)，暫且排除了因高溫導(dǎo)致相變的可能。然而，鑒于目前觀測數(shù)據(jù)有限，以及缺乏月球環(huán)境下不同結(jié)構(gòu)氧化鋯形成的熱力學實驗數(shù)據(jù)，尚無法明確嫦娥五號玄武巖中斜鋯石經(jīng)歷的演化歷史。

圖2 大顆粒斜鋯石的EBSD數(shù)據(jù)。（a）Foil-1的HADDF圖；（b）礦物相拼圖；（c-d）斜鋯石晶體取向數(shù)據(jù)及極圖；（e-f）對斜鋯石晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行母體重構(gòu)的結(jié)果

圖3 小顆粒斜鋯石集合體的EBSD數(shù)據(jù)。（a-b）斜鋯石晶體取向數(shù)據(jù)及極圖；（c-d）對斜鋯石晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行母體重構(gòu)的結(jié)果

綜上所述，基于嫦娥五號玄武巖中兩種不同形貌斜鋯石的巖相學和晶體學特征，研究推測這兩種斜鋯石均為巖漿結(jié)晶產(chǎn)物。研究還提出了三種可能場景解釋晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。為了更深入地理解斜鋯石的形成條件，特別是其形成的溫度（T）和壓力（P）條件，未來還需要開展熱力學實驗來進一步探究月球環(huán)境下二氧化鋯的穩(wěn)定性。這些實驗將有助于揭示斜鋯石的P-T記錄，從而更好地理解月球的巖漿活動歷史和地質(zhì)演化過程。

上述研究成果發(fā)表于Journal of Geophysical Research: Planets上，本文第一作者是空間中心博士研究生黃莉瑩，通訊作者是徐于晨副研究員和劉洋研究員。合作團隊還包括中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學院地球化學研究所和南京大學的研究人員。該成果得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會項目基金等的共同資助。

論文信息：Huang, L., Xu, Y., Qin, L., Liu, Y., Gu, L., Tian, H.-C., et al. (2024). Petrography, crystallography, and geochronology of baddeleyite with two morphologies in a Chang'e-5 lunar basalt. Journal of Geophysical Research: Planets, 129, e2023JE007955.

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2023JE007955

（供稿：天氣室）