第七届青年地学论坛

热力学计算模拟对月球镁质岩套成因模型的约束
鞠东阳^1,2，杜蔚^1,3*，李瑞^1,2，庞润连¹
1．中国科学院地球化学研究所 矿床地球化学国家重点实验室，贵阳，550081；2．中国科学院大学，北京，100049；3．中国科学院比较行星学卓越创新中心，合肥，230026


镁质岩套是月球上特殊的一类岩石样品，其矿物主要组成包括富钙的斜长石和富镁的镁铁质矿物，其中斜长石的An%（CaO/（Na2O＋K2O+ CaO）的摩尔比）在80以上，镁铁质矿物的Mg#（MgO/（MgO＋FeO）的摩尔比）高于78（Papike et al., 1998）。此外，镁质岩套样品普遍具有富集稀土元素（REE）的特征，相对于月海玄武岩，镁质岩套中橄榄石的Ni、Co和Cr含量较低，但是Mg#最高可达95，指示其母岩浆对应的Mg#约为84（Elardo et al., 2011）。镁质岩套样品富镁、富钙和富集稀土元素的化学特征指示其可能同时具备原始母岩浆和月球岩浆洋结晶分异残留岩浆的特征，因此，通过对镁质岩套的形成过程进行研究，可以揭示其源区物质来源、温压条件等性质，对进一步了解月球内部物质，特别是深部月幔的物质组成和优化月球演化模型等都起到至关重要的作用，因而受到广泛关注（例如，Shearer et al., 2015）。
目前关于镁质岩套的成因模型主要有两类，混合杂化模型和减压熔融模型。因为镁质岩套的形成可能需要不同端元组分的共同参与，因此混合杂化成因模型认为月球深部富镁堆积物在月幔翻转过程中与月球浅部堆积物KREEP及斜长石等混合杂化，在月壳底部发生熔融形成镁质岩套的源区（Longhi et al., 2010；Elardo et al., 2011, 2020）。但该成因模型面临着月球样品年龄重合的挑战（Brog et al., 2020），同时，一些具有镁质岩套矿物学特征的月球样品并不富集稀土元素，暗示镁质岩套的源区物质不一定需要KREEP成分参与（Gross et al., 2020）。另一方面，Prissel等（2020）认为月幔深部富镁堆积物减压熔融产生的熔体是更普遍的镁质岩套源区，这种不需要KREEP及斜长石参与的成因模型可以解释月球样品年龄上的重合，并且热力学计算模拟也印证了这种减压熔融模型的结晶矿物可以符合镁质岩套样品矿物的An%和Mg#范围。但该模型可能无法满足镁质岩套中橄榄石的Cr₂O₃含量的约束（Elardo et al., 2011）。
本文采用热力学计算的方法，通过改变不同源区成分、熔融程度和熔融方式对两种不同的镁质岩套成因模型进行正演模拟，讨论不同源区物质组成以及熔融程度对熔体和结晶产物成分的影响。根据实验数据引入Cr在橄榄石与熔体之间分配系数，已建立对减压熔融模型Cr₂O₃含量约束的约束。以此对月球样品中的镁质岩套的两种成因模型进行详细探讨，对其形成过程进行制约。本文的计算结果显示：（1）月幔物质减压熔融形成的熔体通过平衡结晶可以形成镁质岩套，并满足样品中橄榄石Cr₂O₃含量的制约；（2）减压熔融模型可以解释某些月球样品年龄的重合，但是成分较为单一，而混合杂化模型形成的镁质岩套成分范围较广。

热力学计算；镁质岩套；减压熔融；混合杂化 ；月壳年龄