《月球科学概论》读书笔记09

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《月球科学概论》读书笔记

第五章 月球化学（3）

2.5 挥发性元素

例如F、S、Cl、Cu、Zn、As、Se、Br、Ag、Cd、In、Te、I、Hg、Tl、Pb、Bi这样的元素虽然通常不以气体的形式存在，但由于其在月球样品和陨石中很不稳定，具有比其他元素更大的挥发性，故将这些元素称之为挥发性元素。所有这些挥发元素，也包括Na、K、Rb、Cs这样的碱金属元素，所具有唯一的共性便是相对的不稳定和在月球上的稀缺。在某些环境条件下，大多数挥发性元素与亲铁元素具有相似的元素行为，在另外一些环境条件下，这些挥发性元素还会与亲石元素具有相似的元素行为。

在月球样品中挥发性元素的丰度普遍很低，并且在月球复矿碎屑岩（月壤和角砾岩）中的挥发性元素要高于同一地点的单矿物月海玄武岩。

除F、Cl、Br、I外的大多数挥发性元素都是亲铜元素，它们倾向于富集在硫化物矿物中。而硫化物不仅在月球岩石中罕见，而且形成于结晶晚期。克里普岩（KREEP）不仅在月球上最常见，而且含有的不相容痕量元素也最多，并且在克里普岩中要含有比月球其他岩石类型更多的挥发性元素。

在月球的演化过程中，由于U和Th的衰变，Pb的丰度会不断增加，因此可以以此来测量月球样品的年龄并推算月球的演化过程。Pb的同位素²⁰⁶Pb（²³⁸U衰变而来）、²⁰⁷Pb（²³⁵U衰变而来）和²⁰⁸Pb（²³²Th衰变而来）证据表明月球的挥发性元素可能在热过程中被有选择地转移过。

2.6 太阳风注入元素

与挥发性元素一样，月壤中富集生物成因物质（H、C、N）和惰性气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe），而在月球火成岩中这些物质就要相对稀少一些。但与来自于陨石的挥发性元素不同的是，这些生物成因物质和惰性气体则主要来自太阳风。因此我们也把这些物质所对应的元素称之为太阳风注入元素。

（1）惰性气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）

月球物质中的惰性气体主要来源于以下：①在月球形成之初保留在其内部的原始气体成分；②月球内部放射性元素的衰变，例如¹⁰K通过β衰变成为⁴⁰Ar；U、Th系列元素通过α衰变产生⁴He，²³⁵U、²³⁸U和²⁴⁴Pb通过核裂变生成重的惰性气体Kr和Xe；太阳风的注入；撞击的陨石；通过太阳能和宇宙射线在月球物质中发生的散裂反应。

（2）生物成因元素（C、H、N）

在月球最成熟的月壤中H元素丰度大约为50μg/g，与C和N元素的丰度相似，在部分月壤中C元素的丰度可能超过100μg/g。生物成因元素在月壤中的丰富要比月球高地岩石中的丰度高，甚至部分月壤和角砾岩中所含有的生物成因元素丰度要比月海玄武岩和月球高地单矿物岩石中的高出2个数量级。

3 月球的化学成分

虽然根据从月球取回的样品很难得到一个统一的模式来推算月壳的平均化学成分，但从元素的地球化学特征出发，研究不同离子半径、价态、键型和挥发性元素的相互关系，会发现即使是取样的岩石类型不同，各类元素的比值依旧保持相对稳定，因此可以从月球整体模式成分、月表轨道测量所获得的数据以及月壳各类岩石成分进行综合分析、比较，来推算月球高地月壳的平均化学成分。

而月球的化学成分则一般是根据太阳星云的分馏凝聚特征与条件、太阳星云中凝聚形成月球部位的化学成分、月球内部结构的模式、月球的密度与半径、月表的热流值以及各类月岩的成分等进行综合分析、对比、计算所得的。其中，月球的内部演化过程时计算月球平均化学成分的重要依据，其计算结果如表14所示。

表14 月球整体与月壳的平均化学成分

由表可知，在月球高地月壳中，有些元素极为富集，有些元素存在不同程度的富集，有些元素则相对贫乏。如图5，如果根据元素的离子半径和离子价态作图，可将图中的元素分为＞50%、30%~50%、10%~30%、＜10%这四个区域，表示着这些区域内的元素在高地月壳中的含量占整个月球含量的比率范围，元素旁的数字为其具体数值。也就是说，月球高地中的Cs、Ba、K、Rb、La、Th、U等元素含量占整个月球的50%以上；Na、Eu、Sr、Ca、Pr、Gd、Zr、Nb等元素有30%~50%集中在月球高地月壳中；Tb、Y、Ti元素则有10%~30%位于月球高地月壳中；Fe、Mg、Sc、V元素在高地中贫乏。由于月球高地只占整个月球体积的10%，这说明了至少有50%的月球体积曾发生过熔融、分异。

图5 部分元素在高地月壳中的含量占整个月球含量的百分数

总的来说，相比于地球而言，月球含有更多的难熔元素如Ca、Al、U、Th以及REE等，但其挥发性元素尤其是易挥发性元素的丰度要比地球低很多。

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