《月球科学概论》读书笔记10

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《月球科学概论》读书笔记

第六章 月球矿物（1）

6.1 概论

矿物是组成月球岩石的基本构成单元。月球上已发现的矿物种类远少于地球，这与月球极度干燥、贫氧的环境密切相关。根据化学组成，月球矿物主要分为五大类：硅酸盐矿物、氧化物矿物、硫化物矿物、自然金属和磷酸盐矿物（表6-1），其中硅酸盐矿物，特别是辉石、斜长石和橄榄石，是月壳和月幔岩石中最普通、含量最高的矿物，它们和其他一些矿物及玻璃共同构成了不同类型的月海玄武岩和高地岩石物质。

表6-1 月球矿物的主要类型

根据六次Apollo载人登月点和三次Luna不载人采样点的月壤样品分析，中国科学院地球化学研究所（1977）得出了月壤中不同矿物和玻璃的体积分数（表6-2）。从中可以看出，斜长石、辉石、橄榄石三种硅酸盐矿物合计占月壤矿物组成的绝大部分，钛铁矿主要富集于月海玄武岩区，月海玻璃和高地玻璃也是月壤的重要组成部分。

表6-2 月球采样点月壤中各类矿物和玻璃的体积分数（%）

注：表中数值根据OCR识别整理，引用时请以原书表6-3为准。

6.2 硅酸盐矿物

6.2.1 辉石

辉石是绝大多数月岩中的主要矿物，其成分变化较大。月海玄武岩中主要为单斜辉石（由普通辉石-易变辉石按(001)或(100)连生体组成），而非月海玄武岩及高地岩石中的辉石主要是斜方辉石。辉石记录了月球岩石形成的条件和演化的历史，是成分上变化较大的一种固溶体，其晶体结构如图6-1所示。

图6-1 辉石的晶体结构（转引自Heiken et al., 1991）

从图6-1中可以看出，辉石的晶体结构中，Mg、Fe2+等可以赋存于M2晶格中，Mn、Fe2+、Mg、Ca2+、Cr3+、Ti3+、Ti4+和Al则赋存于M1晶格中，而Al和Si位于较小的四面体晶格的四角上。由于K离子半径较大，难以进入上述晶格位置。

月海玄武岩和高地岩石中辉石的化学成分分别列于表6-3、表6-4（转引自Heiken et al., 1991），其成分变化如图6-2、图6-3、图6-4所示。

图6-2 月海玄武岩中的辉石成分（中国科学院地球化学研究所，1977）

图6-3 高地角砾岩、贫碎屑熔岩、KREEP岩中的辉石成分（中国科学院地球化学研究所，1977）

图6-4 高地粗晶火成岩（铁斜长岩和富镁岩）中的辉石成分（中国科学院地球化学研究所，1977）

总的说来，月岩中辉石有如下主要特征：（1）无论是月海玄武岩，还是高地岩套，辉石中的铁都是以Fe2+的形式存在，而不存在Fe3+；（2）元素Na的含量很低，这是由于在月岩中其整体性含量都很低的缘故；（3）由于月岩在结晶过程中处于低氧逸度状态，其他变价元素如Ti、Cr等都以低价态赋存于矿物中，根据Apollo 17月海玄武岩的分析表明（Sung et al., 1974），大约30%～40%的Ti是以三价钛的形式存在于月海玄武岩中，而几乎所有的三价钛都赋存于辉石之中；（4）与地球上的辉石相比，月球辉石形成于极度还原、无水作用的环境条件下，且辉石中Fe/Mg比值大，表明月幔中镁含量比地幔的低；（5）在月球样品中还发现了一种新的辉石族矿物，如三斜铁辉石。

表6-3 月海玄武岩中辉石的化学成分（质量分数，%，转引自Heiken et al., 1991）

注：表中数值根据OCR识别整理，为大致范围，引用时请以原书表6-4、表6-5为准。

6.2.2 斜长石

斜长石在月岩中分布比较普遍，为月海玄武岩及高地岩石的主要矿物，包括从钠长石向钙长石的完整系列，但在角砾岩中斜长石的成分变化则较显著。由于月球上较为贫乏碱性金属，因此相对地球上的斜长石，月球斜长石中钠元素含量很低，即以钙长石为主。长石的晶体结构如图6-5所示，为连接SiO4和AlO4两个四面体的三维结构。

图6-5 斜长石的晶体结构（Heiken et al., 1991）

各类月球岩石中斜长石的化学成分见表6-5（转引自Heiken et al., 1991）。可以看出：（1）月海玄武岩中钙长石中的含量与全岩中Ca/Na比值成正相关关系（Papike et al., 1976）；（2）相对于月球其他岩石，高地撞击熔岩、角砾岩和KREEP岩中的斜长石明显富含Na；（3）与辉石一样，月球斜长石也经历了亚固态反应，因此同一矿物其成分的不均匀性也较显著；（4）总的说来，与地球上的长石相比，月球上的长石贫乏碱性金属。

表6-4 各类月球岩石中斜长石的化学成分（质量分数，%，转引自Heiken et al., 1991）

6.2.3 橄榄石

橄榄石在月岩中分布广泛，其在不同岩石中的含量不同：在月海玄武岩及橄长岩中含量较高，是作为主要的矿物相产出；在一些岩石中含量较低，是以次要矿物产出。橄榄石的晶体结构如图6-6所示，是八面体链状结构，其中Fe2+和Mg随机赋存于M1格位。

图6-6 橄榄石的晶体结构（转引自Heiken et al., 1991）

根据对月球不同类型岩石中橄榄石的研究：（1）月海玄武岩中橄榄石的成分绝大多数在Fa25～Fa70之间，很少在Fa70～Fa90之间；在月海玄武岩熔体残余相中，由钙镁辉石-铁橄榄石-石英处于平衡状态下缓慢结晶而产生的橄榄石不是富铁橄榄石，而是富镁橄榄石，这对了解月海玄武岩的冷却过程及其演化机理有重要意义；（2）月海玄武岩中橄榄石的其他主量元素如Ca、Mn、Cr和Al的含量完全随铁的变化而变化，并受月海玄武岩熔浆冷却速率所控制（Smith et al., 1970）；（3）与地球岩石中的橄榄石相比，月球岩石中的橄榄石极其富含Cr，前者Cr2O3含量很低，说明月球橄榄石是在还原条件下（即低氧逸度条件）晶出的；（4）尽管Fe/Mg比值变化很大，但与地球上的橄榄石相比，月球上橄榄石更富铁贫镁。各类月球岩石中橄榄石的化学成分见表6-6。

表6-5 各类月球岩石中橄榄石的化学成分（质量分数，%，转引自Heiken et al., 1991）

6.2.4 其他硅酸盐矿物

除上述三种较常见的硅酸盐矿物外，月球上还发现有静海石、三斜铁辉石、锆石、钾长石等其他硅酸盐矿物。其中一些是月球所特有的矿物，如静海石、三斜铁辉石；一些矿物尽管在月球上很稀少，在地球上却很普遍，如锆石、钾长石等。这些矿物的一个共同特征就是它们都形成于熔浆的晚期阶段，不但常与二氧化硅矿物如方石英伴生，同时也常常富集于高硅的KREEP岩中。

静海石是一种目前在地球上未发现过的新矿物，半透明，透射光下呈赤褐色，含少量铜、钾等元素，其形成大概是由于Fe2+、Ti4+、Zr、REE等的分离而进入月球玄武岩残余熔浆所致。三斜铁辉石是一种富铁的辉石族矿物，在结构上与辉石相似，在Apollo 11样品中首次发现之前，地球上从未发现过自然产出的三斜铁辉石；该矿物只有在接近105Pa条件下（相当于月球几百千米深度处）才稳定，因常与方英石共生，而方英石只在5×108Pa以下才稳定，故该矿物晶出时的压力不会超过5×108Pa，推测其为月球表面迅速结晶生长的产物。锆石主要存在于高硅花岗质岩石（如KREEP岩、角砾岩）中，矿物颗粒大小在4～80μm范围内，锆石中U含量较高，可用于获得月球岩石的形成年龄。钾长石一般富含钡，常称富钡钾长石，产于火成岩内，呈填隙的细小板晶，通常与富K2O及SiO2的残余玻璃伴生；在KREEP岩石中钾长石是作为主要矿物存在的。锆石、三斜铁辉石、钾长石和静海石的化学成分见表6-7。

表6-6 锆石、三斜铁辉石、钾长石和静海石的化学成分（质量分数，%，转引自Heiken et al., 1991）

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