火山活动是月球形成之后的主要地质活动之一，反映了月球的热演化历史。嫦娥五号（CE-5）返回的玄武岩岩屑是目前已知最年轻的月球玄武岩样品，形成于大约20亿年前。这些样品为晚期的月球火山活动提供了重要的物质记录。以往的研究限定了嫦娥五号玄武岩的母岩浆性质、源区和结晶与冷却历史。不同玄武岩岩屑显示出相异的冷却速率和时间尺度，反映了岩浆系统热状态在空间上的变化。然而，岩浆系统热状态随时间的演化尚未得到关注。
在岩浆结晶的过程中，矿物和残余熔体之间随着岩浆演化产生的成分梯度会导致化学扩散。在对地球样品的研究中，Fe–Mg同位素分析能够定量限定岩浆的冷却历史，特别是可以确定岩浆温度随时间变化的冷却路径，是研究岩浆结晶和冷却历史的有力手段。
永利304官网唯一关键地球物质循环与成矿全国重点实验室李伟强教授团队聚焦于一颗17.6 mg的嫦娥五号玄武岩岩屑的热演化历史，结合高精度的Fe–Mg同位素分析和系统的扩散过程模拟来限定玄武岩的冷却路径。研究团队从这颗岩屑中分离了28组矿物颗粒样品，包括橄榄石、辉石、长石和钛铁矿。同位素分析显示这些样品的δ56Fe和δ26Mg差异分别达到了~0.3‰和~0.8‰，并且δ56Fe和δ26Mg具有负相关关系（图1），证明矿物尺度的分馏是Fe–Mg互扩散的结果。
图1矿物分选样品的同位素组成和Mg#。
为了限定冷却速率、扩散前的初始Mg#、结晶温度等关键参数，研究团队系统模拟了不同条件下扩散产生的同位素分馏，模拟参数涵盖了不同粒径、冷却速率、初始Mg#和结晶温度。团队创新性地将系统覆盖参数空间的模拟结果与实测的元素、同位素数据比较，结合基于高精度三维CT扫描的粒径分析结果，定量限定了三组具有显著同位素分馏的橄榄石样品的冷却速率（图2）。这三组样品具有不同Mg#，不同的δ56Fe–δ26Mg负相关斜率表明其初始Mg#也不同，因此形成于岩浆结晶的不同阶段。其中，具有较高初始Mg#（~45和~50）的两组样品结晶较早，结晶温度大约是1133 °C和1113 °C，冷却速率分别为30–100 °C/天和3–10 °C/天。具有较低初始Mg#（~15）的样品在晚期结晶，结晶温度大约是1053 °C，冷却速率为1–10 °C/天。
图2 对三组橄榄石样品冷却速率的评估。不同冷却速率和颗粒半径下的模拟结果（带数据的连线）与实测Mg#（a, e, i）、δ56Fe（b, f, j）及δ26Mg（c, g, k）及其误差（水平条带）进行比较。实测的橄榄石粒径分布以在岩屑中的体积分数表示（d, h, l）。
以上结果表明，早期结晶的矿物冷却速率较高，在晚期冷却速率下降了1–2个数量级。冷却速率的下降代表了岩浆热状态随时间的演化。团队提出了两种可能的模型（图3）：（1）岩浆在火山通道喷发阶段快速冷却，喷发后在熔岩流中缓慢冷却。基于此模型可以估计岩浆喷发温度约为1113–1133 °C。（2）岩浆因上覆岩浆覆盖导致冷却速率降低。在此模型中，上覆岩浆厚度由大约0.6–1.2 m增加到约2.0–6.4 m。
图3 冷却速率与热状态的时间演化。(a) 本研究中单个岩屑内橄榄石的冷却速率降低趋势，以及此前报道的不同CE-5玄武岩岩屑的冷却速率。(b) 模型1：岩浆在火山通道喷发阶段快速冷却，在熔岩流中缓慢冷却。(c) 模型2：岩浆因上覆岩浆覆盖冷却速率降低。
上述成果以“Cooling History of Chang'e‐5 Basalts Recorded by Diffusion‐Driven Mg and Fe Isotope Fractionation”为题发表于国际行星科学期刊《Journal of Geophysical Research: Planets》上。永利304官网唯一李伟强教授为论文通讯作者，天文与空间科学学院帅康博士为论文第一作者，研究团队包括永利304官网唯一的惠鹤九教授，Samuele Boschi博士和博士生陈嘉阳。本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、国家资助博士后研究人员计划和江苏省卓越博士后计划的资助。
论文信息：
Shuai, K., Chen, J., Boschi, S., Hui, H., & Li, W. (2026). Cooling history of Chang'e‐5 basalts recorded by diffusion‐driven Mg and Fe isotope fractionation. Journal of Geophysical Research: Planets, 131, e2025JE009479. https://doi.org/10.1029/2025JE009479
图文：帅康
审核：陈天宇
