Sm-Nd同位素體系在月球早期演化中的研究進(jìn)展

徐玉明, 王桂琴, 楊 振, 曾玉玲

Sm-Nd同位素體系在月球早期演化中的研究進(jìn)展

徐玉明1, 2, 王桂琴1, 3*, 楊 振1, 2, 曾玉玲1, 2

(1. 中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 同位素地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院 比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 安徽 合肥 230026)

月球的形成時(shí)間和演化歷史對(duì)太陽(yáng)系類(lèi)地行星的演化有重要意義。Sm-Nd同位素體系因其獨(dú)特的元素和同位素地球化學(xué)性質(zhì), 為月球早期巖漿洋的結(jié)晶分異過(guò)程提供了強(qiáng)有力的制約。本文綜述了147Sm-143Nd和146Sm-142Nd同位素體系的應(yīng)用原理, 以及目前對(duì)月球亞鐵斜長(zhǎng)巖、鎂質(zhì)巖套、堿質(zhì)巖套、克里普巖和月海玄武巖Sm-Nd同位素體系的相關(guān)研究。最新的研究結(jié)果表明, 全月球(或近乎全月球)范圍在約4.35 Ga經(jīng)歷了Sm-Nd同位素體系的平衡, 但對(duì)這一平衡事件的解釋仍存在爭(zhēng)議,主要有3種觀點(diǎn): ①原始月球巖漿洋在4.35 Ga形成并快速結(jié)晶分異; ②月球經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的冷凝結(jié)晶, 4.35 Ga為這一過(guò)程的結(jié)束時(shí)間; ③月球在4.35 Ga發(fā)生某種全球性事件, 造成Sm-Nd同位素體系平衡重置。另外, 通過(guò)月球樣品測(cè)得的固體硅酸鹽月球(BSM)的142Nd值變化范圍較大(?0.19 ～ ?0.01), 因此, 月球的初始組成為球粒隕石組成(142Nd=?0.19)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)也有待進(jìn)一步證實(shí)。目前為止, 月球的形成和演化過(guò)程仍不明晰, 而Sm-Nd同位素體系是月球形成和演化過(guò)程研究最重要的工具之一。

月球; Sm-Nd同位素體系; 演化過(guò)程; 年代學(xué)

0 引 言

月球作為地球唯一的衛(wèi)星, 是研究太陽(yáng)系類(lèi)地行星熱演化和化學(xué)演化的重要窗口。目前, 有關(guān)月球形成的模型很多, 如分裂說(shuō)(Ringwood, 1960)、共增生說(shuō)(Ruskol, 1972)、俘獲說(shuō)(Urey, 1966)和大碰撞學(xué)說(shuō)(Hartmann and Davis, 1975; Shearer et al., 2006)。其中, “大碰撞”學(xué)說(shuō)是目前普遍接受的假說(shuō)。這一假說(shuō)認(rèn)為月球形成于約4.5 Ga前, 一個(gè)火星大小的撞擊體(Thiea)與原地球之間發(fā)生低角度偏心碰撞。碰撞造成了原始地球的自轉(zhuǎn)軸偏移, 飛濺出來(lái)的硅酸鹽物質(zhì)最終吸積形成原始月球, 并產(chǎn)生了巖漿洋。目前的研究認(rèn)為, 月球巖漿洋冷凝過(guò)程中首先結(jié)晶出橄欖石和輝石, 并下沉形成堆積月幔。當(dāng)巖漿洋凝固達(dá)到75%時(shí), 富Al和Ca的殘余熔體開(kāi)始結(jié)晶形成斜長(zhǎng)石, 并上浮形成原始長(zhǎng)石質(zhì)月殼。巖漿洋凝固達(dá)到95%時(shí), 殘余熔體逐漸富集Ti和Fe, 形成密度較大的含鈦鐵礦堆積層。結(jié)晶的最后階段, 形成K、REEs和P等不相容元素極為富集的克里普巖(KREEP 巖)(Wood et al., 1970; Elkins-Tanton et al., 2011; Pernet-Fisher and Joy, 2016; Schaefer and Elkins-Tanton, 2018)。這類(lèi)巖石含有較高含量的放射性元素Th和U, 它們的衰變可能產(chǎn)生足夠的熱量, 使已固結(jié)的月幔重熔生成新的熔體。這些組成不同、更加年輕的熔體侵入斜長(zhǎng)質(zhì)月殼形成次生月殼巖石, 如鎂質(zhì)巖套和堿質(zhì)巖套(Pernet-Fisher and Joy, 2016)。通過(guò)同位素地質(zhì)年代學(xué)的手段, 測(cè)定這些原始堆積巖和次生巖石源區(qū)的形成年齡, 就可以限定巖漿洋的冷凝時(shí)間和演化歷史。

Sm和Nd均為輕稀土元素, 具有難熔、親石和不相容性等特征(Carlson, 2015)。因此, 行星形成演化過(guò)程中Sm和Nd主要進(jìn)入硅酸鹽相, 在星云凝結(jié)或蒸發(fā)過(guò)程幾乎不會(huì)發(fā)生Sm/Nd值的改變(Boyet and Carlson, 2005), 并且在部分熔融或結(jié)晶分異過(guò)程中更易進(jìn)入熔體相, 而Nd比Sm更不相容, 導(dǎo)致月殼巖石比月幔巖石的Sm/Nd值更低。Sm和Nd的這些特殊性質(zhì), 結(jié)合147Sm-143Nd和146Sm-142Nd放射性衰變體系, 使其成為研究月球形成和演化的重要工具。另外, 與Rb-Sr、U-Pb和Ar-Ar同位素體系相比, Sm-Nd同位素體系更穩(wěn)定, 在風(fēng)化和熱變質(zhì)作用中具有更強(qiáng)的抗擾動(dòng)性(Borg et al., 2015), 應(yīng)用于月球殼幔演化、示蹤巖漿物質(zhì)來(lái)源等研究中更具優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)已報(bào)道的相關(guān)研究, 總結(jié)了Sm-Nd同位素體系在月球早期演化研究中的應(yīng)用原理、研究進(jìn)展和存在問(wèn)題。

1 Sm-Nd同位素定年原理

自然界中, Sm和Nd均有7種同位素, 同位素組成和豐度見(jiàn)表1。其中,147Sm、148Sm和149Sm為長(zhǎng)壽命放射性同位素, 而148Sm和149Sm的半衰期太長(zhǎng)(約107Ga), 在現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法測(cè)量出其子體同位素的變化, 故目前不能成為定年工具。147Sm通過(guò)α衰變?yōu)樽芋w143Nd, 半衰期(147 1/2)為106 Ga (Lugmair and Marti, 1978);146Sm通過(guò)α衰變?yōu)樽芋w142Nd, 半衰期(146 1/2)為68 Ma(Kinoshita et al., 2012)或103 Ma(Friedman et al., 1966; Meissner et al., 1987) (有爭(zhēng)議, 詳見(jiàn)3.3節(jié))。146Sm半衰期較短, 在太陽(yáng)系形成約500 Ma后就幾乎完全衰變(Rankenburg et al., 2006), 被稱(chēng)為滅絕核素。

1.1 147Sm-143Nd體系定年原理

1.1.1 等時(shí)線年齡

封閉體系中母體147Sm衰變?yōu)樽芋w143Nd的時(shí)間函數(shù)為:

表1 Sm和Nd同位素組成(Carlson, 2015)

式中:147Sm的衰變常數(shù)147=0.00654 Ga?1(Reiners et al., 2017);表示不同的封閉體系或樣品; (143Nd/144Nd)p和(147Sm/144Nd)p為樣品當(dāng)前的實(shí)際測(cè)量值; (143Nd/144Nd)為樣品形成時(shí)(時(shí)刻)的初始值。因此, 對(duì)同源樣品的(143Nd/144Nd)p和(147Sm/144Nd)p測(cè)定值進(jìn)行投圖, 就可以獲得一條線性相關(guān)的等時(shí)線, 若等時(shí)線斜率為, 則樣品的形成時(shí)間為:

1.1.2 模式年齡

Sm-Nd模式年齡最初由DePaolo and Wasserburg (1976)提出。假設(shè)月球和地球一樣, 初始組成與球粒隕石(chondritic uniform reservoir, CHUR)一致, 那么將樣品的143Nd/144Nd和147Sm/144Nd測(cè)定值與CHUR相比, 就可以計(jì)算出樣品的模式年齡(CHUR):

式中: (143Nd/144Nd)CHURp和(147Sm/144Nd)CHURp為CHUR的值, 分別為0.512638(Hamilton et al., 1983)和0.1967 (Jacobsen and Wasserburg, 1980)。此公式適用于單階段模式年齡, 即樣品來(lái)自與CHUR組成一致的封閉體系, Sm/Nd值保持不變。

1.2 146Sm-142Nd體系定年原理

作為短壽命滅絕核素,146Sm-142Nd體系可為太陽(yáng)系早期約500 Ma以?xún)?nèi)的演化事件提供精確的時(shí)間限制。142Nd隨時(shí)間變化的函數(shù)為:

由于太陽(yáng)系形成時(shí)的(146Sm/144Nd)0值無(wú)法直接測(cè)量, 因此將其轉(zhuǎn)化為易測(cè)量的參數(shù):

式中,0=4.567 Ga, 為太陽(yáng)系形成的時(shí)間(Amelin et al., 2010);146=6.7296 Ga?1(Marks et al., 2014); (146Sm/144Sm)0= 0.00828(Marks et al., 2014); (144Sm/147Sm)Stdp=0.202419 (Borg et al., 2016), 由AMES Sm同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)獲得。目前, 通過(guò)月球樣品的146Sm-142Nd體系限定月球巖漿洋冷凝時(shí)間的方法主要有2種, 但無(wú)論哪種方法都需要首先獲得這些樣品源區(qū)的147Sm/144Nd值。

1.2.1 源區(qū)的147Sm/144Nd值

計(jì)算源區(qū)的147Sm/144Nd值是146Sm-142Nd體系定年的前提。由于大部分月球樣品經(jīng)歷了多階段的演化, 樣品的147Sm/144Nd測(cè)量值并不能代表源區(qū)的147Sm/144Nd值。因此, 需要假設(shè)可能形成這些月球巖石的演化模型(Rankenburg et al., 2006; Boyet and Carlson, 2007; Brandon et al., 2009; McLeod et al., 2014), 來(lái)計(jì)算源區(qū)的147Sm/144Nd值。以典型的CHUR組成模型為例,143Nd(樣品的143Nd/144Nd值相對(duì)球粒隕石均一庫(kù)的萬(wàn)分偏差)經(jīng)歷了3個(gè)階段的變化(圖1a): 第1階段為假設(shè)具有CHUR組成的固體硅酸鹽月球(bulk silicate Moon, BSM)的演化, 直到1時(shí)刻BSM分異形成大規(guī)模的富集儲(chǔ)庫(kù)(enriched reservoirs, ER)和虧損儲(chǔ)庫(kù)(depleted reservoirs, DR); 第2階段為ER和DR的獨(dú)立演化, 直到2時(shí)刻, 這些儲(chǔ)庫(kù)發(fā)生部分熔融, 冷凝形成月海玄武巖(Lunar mare basalts, LMB); 第3階段為L(zhǎng)MB中的Nd同位素封閉演化至今。因此, 月海玄武巖源區(qū)的形成時(shí)間就代表了BSM分異的時(shí)間。而對(duì)于146Sm-142Nd體系,142Nd(樣品的142Nd/144Nd值相對(duì)地球Nd同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的萬(wàn)分偏差)隨時(shí)間的變化實(shí)際上只有2個(gè)階段(圖1b), 因?yàn)?46Sm在第3階段開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)滅絕。

根據(jù)圖1a, 源區(qū)的(147Sm/144Nd)Sp可以表示為:

1.2.2142Nd/144Nd-147Sm/144Nd等時(shí)線年齡

142Nd/144Nd-147Sm/144Nd行星等時(shí)線年齡與常規(guī)全巖等時(shí)線定年類(lèi)似, 對(duì)巖漿洋冷凝形成的原生樣品, 如月殼、月幔和urKREEP等進(jìn)行測(cè)定, 就可獲得其等時(shí)線年齡。但由于無(wú)法直接獲得這些樣品, 實(shí)際樣品通常使用其衍生的巖石樣品(如斜長(zhǎng)巖、月海玄武巖和KREEP巖等)(Nyquist et al., 1995; Rankenburg et al., 2006; Boyet and Carlson, 2007; Brandon et al., 2009; Borg et al., 2019)。前提條件是這些樣品具有與月球巖漿洋相同的初始同位素組成。因此,根據(jù)式(6) 計(jì)算的源區(qū)比值(147Sm/144Nd)Sp和樣品的142Nd/144Nd測(cè)定值, 可以繪制出月海玄武巖源區(qū)的146Sm-142Nd等時(shí)線(圖2a)。若等時(shí)線斜率為1, 則源區(qū)的形成時(shí)間1為:

因?yàn)槭?6)的計(jì)算需要源區(qū)的形成時(shí)間1已知, 所以式(6)和(7)必須通過(guò)迭代計(jì)算解出。

1.2.3142Nd/144Nd-143Nd/144Nd等時(shí)線年齡

另一種計(jì)算月海玄武巖源區(qū)形成年齡的方法是通過(guò)源區(qū)現(xiàn)今的142Nd/144Nd-143Nd/144Nd或142Nd-143Nd等時(shí)線圖獲得(Brandon et al., 2009; McLeod et al., 2014)。由于月海玄武巖一般形成于146Sm滅絕之后, 源區(qū)當(dāng)前的(142Nd/144Nd)Sp應(yīng)等于月海玄武巖中的142Nd/144Nd測(cè)量值。而源區(qū)當(dāng)前的(143Nd/144Nd)Sp需通過(guò)樣品形成時(shí)的初始143Nd/144Nd和源區(qū)的(147Sm/144Nd)Sp計(jì)算獲得。因此, 在142Nd-143Nd圖解(圖2b)中, 源區(qū)形成的模式年齡可以通過(guò)等時(shí)線的斜率2解出:

式中:(142Nd/144Nd)Stdp=1.141832(Rankenburg et al., 2006); (143Nd/144Nd)CHURp= 0.512638(Hamilton et al., 1983)。另外, 由于等式兩側(cè)都存在1, 因此這一方程也需要迭代解出。

BSM. 固體硅酸鹽月球; DR. 虧損儲(chǔ)庫(kù); ER. 富集儲(chǔ)庫(kù); LMB. 月海玄武巖; FAN. 亞鐵斜長(zhǎng)巖。

圖1 ε143Nd(a)和ε142Nd(b)的多階段演化示意圖

Fig.1 Schematic plots of multi-stage differentiation of ε143Nd (a) and ε142Nd (b)

圖2 142Nd/144Nd-147Sm/144Nd等時(shí)線圖(a, 據(jù)Rankenburg et al., 2006)和ε142Nd-ε143Nd等時(shí)線圖(b, 據(jù)Brandon et al., 2009)

2 月球的Sm-Nd同位素年齡

月殼、urKREEP和月幔(月海玄武巖源區(qū))為巖漿洋冷凝的原生產(chǎn)物, 是整個(gè)硅酸鹽月球的重要組成部分, 其形成時(shí)間能夠?yàn)閹r漿洋的凝固時(shí)間和月球的形成時(shí)間提供強(qiáng)有力的約束。

2.1 月殼的形成時(shí)間

高地月殼的巖石包括亞鐵斜長(zhǎng)巖(ferroan anorthosite, FAN)、鎂質(zhì)巖套(Mg-suite)和堿質(zhì)巖套(alkali-suite) (Lucey, 2006; Wieczorek, 2006)。表2匯總了以Sm-Nd同位素體系開(kāi)展的有關(guān)月殼巖石樣品形成時(shí)間的相關(guān)研究結(jié)果。目前的觀點(diǎn)認(rèn)為, FAN是巖漿洋冷凝的直接產(chǎn)物, 為月球上最古老的巖石, 代表了原始月殼的組成, 其結(jié)晶年齡是限定月殼形成年齡的直接依據(jù)(Sio et al., 2020)。然而, 關(guān)于準(zhǔn)確的FAN形成年齡仍存在爭(zhēng)議。一方面, 最古老和最年輕的FAN形成年齡分別為4562±68 Ma(Alibert et al., 1994)和4290±60 Ma(Borg et al., 1999), 年齡差異高達(dá)約272 Ma,而根據(jù)熱演化模型, 巖漿洋的冷凝時(shí)間為10～200 Ma (Elkins-Tanton et al., 2011; Maurice et al., 2020)。另一方面, 一些研究表明FAN的初始143Nd>0(Borg et al., 1999; Norman et al., 2003; Nyquist et al., 2010; Boyet et al., 2015), 與其巖漿洋起源的觀點(diǎn)并不一致。根據(jù)Sm和Nd的元素地球化學(xué)性質(zhì), 在巖漿洋結(jié)晶過(guò)程中, 形成FAN的熔體應(yīng)具有更低的Sm/Nd值, 即FAN的初始143Nd應(yīng)小于或接近0。鎂質(zhì)巖套是侵入古老斜長(zhǎng)質(zhì)月殼的物質(zhì), 并在與月殼混染作用中獲得了較多的不相容微量元素(Shearer et al., 2015), 代表了巖漿洋冷凝的時(shí)間下限, 其形成年齡應(yīng)不早于FAN的形成時(shí)間。但已報(bào)道的鎂質(zhì)巖套結(jié)晶年齡范圍為4528～4161 Ma(表2; Compston et al., 1975; Papanastassiou and Wasserburg, 1975), 與FAN的形成年齡范圍有很大的重合。堿質(zhì)巖套的成因與鎂質(zhì)巖套形成有關(guān), 均被認(rèn)為是由KREEP巖漿結(jié)晶分異而成(Snyder et al., 1995; Wieczorek et al., 2006), 盡管樣品數(shù)量少, 但也為理解月殼后期的演化提供了重要信息。然而, 目前關(guān)于堿質(zhì)巖套的Sm-Nd年代學(xué)數(shù)據(jù)很少。FAN較大的年齡差異以及與鎂質(zhì)巖套重疊的年齡, 增加了月殼形成演化的復(fù)雜性, 意味著傳統(tǒng)巖漿洋演化模型可能需要進(jìn)行修正。

表2 月殼巖石樣品年齡

續(xù)表2:

2.2 urKREEP的形成時(shí)間

urKREEP指巖漿洋分離結(jié)晶最后階段的殘余熔體(Warren and Wasson, 1979), 在與月殼或月幔混染過(guò)程中形成KREEP巖, 被認(rèn)為是所有KREEP巖的源區(qū)。因此, urKREEP的形成年齡可能代表了巖漿洋分異完成的時(shí)間。早期的研究中, 使用Sm-Nd和Rb-Sr同位素體系計(jì)算了源區(qū)urKREEP的模式年齡分別為4360±60 Ma(Carlson and Lugmair, 1979)和4420±70 Ma(Nyquist and Shih, 1992)。近年來(lái), 通過(guò)富KREEP樣品的結(jié)晶年齡和初始同位素組成相結(jié)合的方式計(jì)算urKREEP的模式年齡(Edmunson et al., 2009; Sprung et al., 2013), 但所獲年齡存在差異, 如Edmunson et al. (2009)獲得urKREEP的Sm-Nd模式年齡為4492±61 Ma, 略高于Lu-Hf模式年齡(4402±23 Ma; Sprung et al., 2013)。之后, Gaffney and Borg (2014b)同時(shí)測(cè)量并計(jì)算了urKREEP的Lu-Hf和Sm-Nd模式年齡, 獲得了相似的年齡分別為4353±37 Ma和4389±45 Ma, 加權(quán)平均值為4368±29 Ma,表明 Lu-Hf和Sm-Nd同位素體系記錄了相同的地質(zhì)事件, 可能代表了urKREEP的形成時(shí)間。此結(jié)果與Borg et al. (2020)最新獲得urKREEP 的Sm-Nd模式年齡(4350±34 Ma)一致, 表明月球巖漿洋冷凝過(guò)程可能在太陽(yáng)系形成后約200 Ma完成。

2.3 月海玄武巖源區(qū)的形成時(shí)間

月海玄武巖是月球巖漿洋結(jié)晶完成之后月幔部分熔融的產(chǎn)物。因此, 月海玄武巖源區(qū)的形成時(shí)間代表了月幔的形成時(shí)間。采用146Sm-142Nd和147Sm-143Nd同位素體系可計(jì)算月海玄武巖源區(qū)(月幔)的模式年齡。據(jù)此, Nyquist et al. (1995)最先以月幔3階段演化模型計(jì)算的模式年齡為4329+40 ?56 Ma,142Nd為?0.01±0.03。Rankenburg et al. (2006)通過(guò)月海玄武巖和KREEP的142Nd/144Nd-147Sm/144Nd等時(shí)線, 得到了相似的月幔形成年齡為4352+21 ?23Ma, 但142Nd不同, 為?0.19±0.02。此后相繼開(kāi)展的一些研究也都證實(shí)月海玄武巖源區(qū)的形成年齡集中分布于4.30～4.40 Ga(Boyet and Carlson, 2007; Brandon et al., 2009; Gaffney and Borg, 2014a; McLeod et al., 2014; Borg et al., 2019), 加權(quán)平均值為4349±9 Ma, 與urKREEP的模式年齡(4350±34 Ma)一致, 表明urKREEP和月海玄武巖源區(qū)可能幾乎同時(shí)形成。

3 Sm-Nd同位素體系在月球研究中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

3.1 月球樣品Sm-Nd年齡的含義

如前所述, 月海玄武巖源區(qū)和urKREEP的年齡變化較小, 而高地月殼巖石樣品的年齡差異較大, 甚至同一塊樣品給出不同的形成時(shí)間(Carlson and Lugmair, 1988; Borg et al., 2011)。因此, 如何評(píng)價(jià)這些已報(bào)道年齡的可靠性是問(wèn)題的關(guān)鍵。Borg et al. (2015)提出可靠的年代學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)滿(mǎn)足以下條件: ①獲得多種同位素體系的一致年齡; ②等時(shí)線的線性程度(mean square weighted deviation, MSWD)小于5; ③采用抗擾動(dòng)性強(qiáng)的Sm-Nd體系; ④初始同位素的組成與樣品的巖石成因一致; ⑤各礦物相中母子體元素的豐度合理。根據(jù)這些條件, Borg et al. (2015)認(rèn)為 FAN最可靠的年齡為4360±3 Ma, 鎂質(zhì)巖套最可靠的年齡為4349±19 Ma, 鋯石峰值年齡為代表的堿質(zhì)巖套年齡為4340±40 Ma, urKREEP的最新模式年齡為4368±29 Ma, 月海玄武巖源區(qū)的加權(quán)平均年齡為4349±9 Ma(圖3彩色數(shù)據(jù))。而在Borg et al. (2015)之后, 最新的一些研究也證實(shí)各類(lèi)月球巖石源區(qū)可能具有相似的形成時(shí)間(圖3灰色數(shù)據(jù); Borg et al., 2017, 2019, 2020; Marks et al., 2019; Sio et al., 2020; Zhang et al., 2021), 表明約4.35 Ga前月球經(jīng)歷了大范圍甚至全球范圍的巖漿事件。這一巖漿事件是否與原始巖漿洋的冷凝有關(guān)是目前爭(zhēng)論的焦點(diǎn), 主要的觀點(diǎn)有3種: ①月球形成時(shí)間較晚, 反映了原始月球巖漿洋在4.35 Ga 形成并快速冷凝和分異的時(shí)間(Nyquist et al., 1995; Gaffney and Borg, 2014b; Borg et al., 2019); ②月球形成于約4.567 Ga, 由于放射性產(chǎn)熱(Shearer et al., 2006)和潮汐加熱(Meyer et al., 2010; Chen and Nimmo, 2016)等其他熱源的存在, 延長(zhǎng)或推遲了巖漿洋冷凝的時(shí)間, 4.35 Ga為月球巖漿洋冷凝完成的時(shí)間; ③月球形成于約4.567 Ga, 4.35 Ga的年齡可能代表了原始巖漿洋快速凝固之后的Sm-Nd同位素體系平衡重置的時(shí)間, 如碰撞改造作用(Carlson et al., 2014; Gross et al., 2014; McLeod et al., 2014; Marks et al., 2019)或月幔翻轉(zhuǎn)作用(Borg et al., 2020; Sio et al., 2020; Xu et al., 2020)等。最新的研究(Borg et al., 2020; Sio et al., 2020; Xu et al., 2020)認(rèn)為月幔翻轉(zhuǎn)過(guò)程可能是解釋這一年輕年齡更合理的原因。這種觀點(diǎn)認(rèn)為巖漿洋冷凝的最后階段, 超基性月幔和上覆含鈦鐵礦的堆積巖層在密度差異的作用下會(huì)發(fā)生對(duì)流翻轉(zhuǎn)(Hess and Parmentier, 1995), 此時(shí), 上涌的超基性堆積巖減壓熔融并同化混染了FAN和富KREEP的巖石形成了鎂質(zhì)巖套和堿質(zhì)巖套的母巖漿。相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)表明(Li et al., 2019; Morison et al., 2019; Zhang et al., 2022), 月幔翻轉(zhuǎn)可能在巖漿洋冷凝之后, 甚至同時(shí)發(fā)生。

3.2 月球的142Nd/144Nd初始值

142Nd/144Nd-147Sm/144Nd月球等時(shí)線的截距代表了BSM的142Nd/144Nd初始值。然而, 目前已報(bào)道BSM的142Nd值卻并不一致, 介于地球(142Nd=0; Nyquist et al., 1995; Boyet and Carlson, 2007)與CHUR平均值(142Nd=?0.19±0.04)之間。CHUR的142Nd值為碳質(zhì)球粒隕石(?0.35±0.15)、普通球粒隕石(?0.19±0.05)和頑輝球粒隕石(?0.10±0.12)ε142Nd值的加權(quán)平均值(Rankenburg et al., 2006; Gannoun et al., 2011; McLeod et al., 2014; Borg et al., 2019)。這意味著月球的142Nd值和Sm/Nd值或者與地球一致, 即相對(duì)CHUR更高(超球粒隕石模型, super chondritic model, SCHM); 或者與CHUR一致, 相對(duì)地球更低(球粒隕石模型)。為了評(píng)價(jià)BSM的組成, Brandon et al. (2009)和McLeod et al. (2014)討論了2種月球演化模型的可能性, 結(jié)果證明月球與地球的ε142Nd值和Sm/Nd值都比CHUR高。Sprung et al. (2013)采用147Sm-143Nd和176Lu-176Hf同位素體系進(jìn)一步驗(yàn)證了SCHM的可能性。如圖4, 在Nd-Hf圖解中, 低Ti玄武巖源區(qū)和KREEP巖源區(qū)的Nd和Hf具有明顯的相關(guān)性, 且?guī)缀踅?jīng)過(guò)了CHUR的值(原點(diǎn))卻未經(jīng)過(guò)SCHM的值。并且Hf相同時(shí), 低Ti玄武巖的放射成因143Nd值明顯低于SCHM的值, 證明月球應(yīng)具有CHUR的Sm/Nd值, 與此相對(duì)應(yīng)的142Nd值為?0.07±0.02, 接近頑輝球粒隕石的值(?0.10±0.12), 而與CHUR平均值(?0.19±0.04)存在差異。如果月球與CHUR具有相同的Sm/Nd值, 那么月球與不同類(lèi)型CHUR之間的142Nd/144Nd差異則可能為核合成異常所致。最近, Borg et al. (2019)獲得了月球的142Nd值為?0.15±0.05, 十分接近普通CHUR(?0.19±0.05)而不同于地球, 認(rèn)為地月間的142Nd差異與地球和月球來(lái)自不同Sm/Nd值的儲(chǔ)庫(kù)有關(guān), 一種可能的情形是月球在大碰撞過(guò)程中繼承了原地球Sm/Nd較低的部分。由于缺乏直接可靠的證據(jù), 目前月球的142Nd/144Nd組成仍需要進(jìn)一步厘定。

彩色數(shù)據(jù)引自Borg et al., 2015; 灰色數(shù)據(jù)引自Borg et al., 2017, 2019, 2020; Marks et al., 2019; Sio et al., 2020; Zhang et al., 2021。

3.3 146Sm半衰期: 68 Ma vs. 103 Ma

146Sm半衰期的大小不僅影響著太陽(yáng)系初始(146Sm/144Sm)0的大小, 還與行星早期演化時(shí)序的建立緊密相關(guān)。1953–2014年,146Sm的半衰期先后被測(cè)量過(guò)6次, 分別為50 Ma(Dunlavey and Seaborg, 1953)、74±15 Ma(Nurmia et al., 1964)、102.6±4.8 Ma (Friedman et al., 1966)、103.1±4.5 Ma(Meissner et al., 1987)、68±7 Ma(Kinoshita et al., 2012)和69 Ma(Qian and Ren, 2014)。前5次的146Sm半衰期數(shù)據(jù)是由粒子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得, 最后1次的數(shù)據(jù)是通過(guò)密度相關(guān)的聚類(lèi)模型(density-dependent cluster model)計(jì)算獲得。然而, 無(wú)論是實(shí)驗(yàn)測(cè)量還是模擬計(jì)算, 都不可避免地存在著人為因素產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差, 如人工合成含146Sm溶液的純度、化學(xué)計(jì)量數(shù)、精確的同位素組成以及146Nd對(duì)146Sm的同質(zhì)異位素干擾等, 導(dǎo)致所報(bào)道146Sm半衰期的差異高達(dá)30%。盡管實(shí)驗(yàn)測(cè)得的146Sm半衰期存在差異, 但在宇宙化學(xué)研究領(lǐng)域普遍采用103 Ma這一半衰期值(Friedman et al., 1966; Meissner et al., 1987)。Kinoshita et al. (2012)首次采用Ln樹(shù)脂和加速器質(zhì)譜法(AMS), 消除了146Nd對(duì)146Sm的同質(zhì)異位素干擾, 測(cè)得了精度相對(duì)更高的146Sm半衰期值為68±7 Ma。這不僅意味著太陽(yáng)系形成時(shí)的(146Sm/144Sm)0初始值(0.0094±0.0005; Kinoshita et al., 2012)相對(duì)早期的估計(jì)值(0.0085±0.0007; Boyet et al., 2010)或許更高, 還意味著早期采用103 Ma建立的行星演化時(shí)序都需進(jìn)行修正。然而, Marks et al. (2014)通過(guò)富鈣鋁包體(CAI)中礦物分離相的146Sm-142Nd內(nèi)部等時(shí)線直接獲得的(146Sm/144Sm)0初始值為0.00828±0.00044, 表明Kinoshita et al. (2012)報(bào)道的半衰期可能并不準(zhǔn)確。此外, 通過(guò)對(duì)比月球樣品和其他隕石樣品的Pb-Pb、147Sm-143Nd與146Sm-142Nd年齡也發(fā)現(xiàn), 采用(146Sm/144Sm)0為0.00828、半衰期為103 Ma所計(jì)算出的146Sm-142Nd年齡與相同樣品的Pb-Pb、147Sm-143Nd年齡更加一致(Marks et al., 2014)。這些結(jié)果表明146Sm 的半衰期真值可能仍是103 Ma。然而, “同位素地球科學(xué)”聯(lián)合工作組(IUPAC-IUGS)從實(shí)驗(yàn)技術(shù)的角度認(rèn)為目前所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有詳盡討論各種可能的人工誤差和模型內(nèi)在的系統(tǒng)偏差, 因此很難評(píng)價(jià)146Sm半衰期的合理性, 建議在應(yīng)用146Sm-142Nd體系研究太陽(yáng)系的早期演化問(wèn)題時(shí), 最好同時(shí)考慮這2種不同的半衰期值, 并計(jì)算出2種相對(duì)應(yīng)的年齡(Villa et al., 2020)。

SCHM. 超球粒隕石模型; CHUR. 球粒隕石模型。修改自Sprung et al., 2013; Dickin, 2018。

3.4 中子捕獲效應(yīng)校正

月球表面的物質(zhì)在銀河系宇宙射線的作用下會(huì)產(chǎn)生大量的中子, 受中子輻射的影響, 月表巖石的Sm和Nd同位素組成會(huì)發(fā)生漂移, 相關(guān)研究(Nyquist et al., 1995)顯示, 遭受中子輻射最嚴(yán)重的低Ti玄武巖(12309)樣品的149Sm異常可達(dá)?43.2, 與此同時(shí), 對(duì)142Nd測(cè)量值的校正量高達(dá)3.2×10?5。Nyquist et al. (1995)定義了中子輻射影響下Nd同位素漂移(ΔN/N) 的公式:

式中:為中子俘獲反應(yīng)生成的子核,=142Nd、143Nd、144Nd、145Nd、146Nd、148Nd和150Nd; (?1)為中子俘獲反應(yīng)的靶核; (?1)/為2種核素豐度的初始比值;σ和I分別為熱中子俘獲截面和超熱中子共振積分截面(cm2);和分別為熱中子通量和超熱中子通量(n/cm2)。Rankenburg et al. (2006)計(jì)算的Nd同位素以及149Sm和141Pr的σ和I見(jiàn)表3。

因此, 只要獲得2種中子通量和的值, 就可以計(jì)算Nd同位素因中子俘獲而產(chǎn)生的變化量。149Sm由于具有較大的熱中子俘獲截面, 常被用來(lái)計(jì)算的大小:

式中:149Sm表示149Sm/152Sm相對(duì)地球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的萬(wàn)份偏差;eff為149Sm的有效熱中子俘獲截面。若/值已知, 則可計(jì)算出值, 但/值卻難以估算。目前已報(bào)道的/值并不相同, 變化范圍較大, 為0.31～3.03(Nyquist et al., 1995; Rankenburg et al., 2006; Sprung et al., 2013)。并且這些/值都是通過(guò)Apollo返回樣品所獲得, 該區(qū)域的中子輻射情況是否與其他地區(qū)相同仍需要驗(yàn)證。Gaffney and Borg (2014b)根據(jù)Hf和Sm同位素建立了一種模擬計(jì)算和的方法。假設(shè)輻射前樣品的Hf和Sm同位素組成與JMC 745 Hf和AMES Sm同位素標(biāo)準(zhǔn)一致, 然后在給定和的前提下模擬計(jì)算輻射后的Hf和Sm同位素比值, 之后再通過(guò)卡方檢驗(yàn)(chi-squared misfit)對(duì)比模擬值與樣品測(cè)量值的接近程度。這種方法解決了/值難以估算的問(wèn)題, 更加簡(jiǎn)單方便且適用范圍更廣, 既適用于月球返回樣品, 也適用于月球隕石樣品。

表3 熱中子俘獲截面和超熱中子共振積分截面(Rankenburg et al., 2006)

注: 1 barn=10?24cm2。

4 主要認(rèn)識(shí)和研究展望

147Sm-143Nd和146Sm-142Nd同位素體系由于其獨(dú)特的地球化學(xué)性質(zhì), 在研究月球早期巖漿演化中發(fā)揮了重要作用并得到了很好的應(yīng)用。通過(guò)總結(jié)147Sm-143Nd和146Sm-142Nd同位素體系在月球早期演化中的研究結(jié)果, 目前已獲得了以下一些重要的認(rèn)識(shí):

(1) 最近的研究結(jié)果表明, 月海玄武巖源區(qū)、urKREEP、FAN、鎂質(zhì)巖套以及堿質(zhì)巖套可能具有年輕且一致的形成年齡, 約4.35 Ga, 意味著月球在約4.35 Ga前存在大范圍甚至全月球范圍的巖漿事件, 但這一巖漿事件所代表的動(dòng)力學(xué)過(guò)程仍需要進(jìn)一步的探究。

(2) 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為, 月球應(yīng)具有與CHUR一致的142Nd值。然而, 通過(guò)月球樣品研究獲得的142Nd值變化范圍較大, 為?0.19 ～ ?0.01。因此, 月球可能具有更加復(fù)雜的組成和演化模型。

(3)146Sm半衰期仍有爭(zhēng)議, 分別為103 Ma和68 Ma。在此半衰期尚未確定的情況下, 月球樣品研究中應(yīng)同時(shí)考慮2個(gè)值的計(jì)算結(jié)果。

(4) 中子俘獲對(duì)Sm-Nd同位素定年結(jié)果的影響較大。目前, 利用Hf和Sm同位素模擬和的大小并校正中子俘獲的影響可能是更加合理的方法, 因?yàn)檫@種方法的應(yīng)用范圍更廣, 既適用于月球返回樣品, 也適用于月球隕石樣品。

目前對(duì)月球Sm-Nd同位素體系的研究主要是基于Apollo返回樣品的研究, 盡管已獲得了很多數(shù)據(jù)和認(rèn)識(shí), 但這些樣品的采樣點(diǎn)具有很大的局限性, 樣品是否能夠代表整個(gè)月球仍是一個(gè)重要問(wèn)題。我國(guó)正在和即將開(kāi)展的一系列登月探測(cè)和采樣任務(wù), 將為這一研究提供更全面的研究樣品, 也將為月球的起源演化提供更詳實(shí)的科學(xué)證據(jù)。

致謝:感謝兩位審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)。

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二是加強(qiáng)信息化建設(shè)。利用3S、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加快北京市水土保持核心業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)，以小流域?yàn)閱卧瑢?shí)現(xiàn)市、區(qū)兩級(jí)預(yù)防監(jiān)督、監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)化管理，實(shí)現(xiàn)水土保持建設(shè)和管理從定性到定量、從平面到空間、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從粗放到精細(xì)的轉(zhuǎn)變，提高了水土保持的精細(xì)化管理水平。

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Application of the Sm-Nd isotopic system in the early evolution of the Moon

XU Yuming1, 2, WANG Guiqin1, 3*, YANG Zhen1, 2, ZENG Yuling1, 2

(1. State Key Laboratory of Isotope Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. CAS Center for Excellence in Comparative Planetology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230026, Anhui, China)

The formation and evolution of the Moon have essential implications for the evolution of terrestrial planets in the solar system. The Sm-Nd isotopic system is a unique tracing and dating tool that can be used to study the formation of the Moon and the early crystallization and differentiation of the Lunar magma ocean. This study introduces the principle of chronological application of147Sm-143Nd and146Sm-142Nd systematics and reviews the research on the Sm-Nd isotopic system applied to Lunar ferroan anorthosites, Mg suite, alkali-suite, KREEP, and mare basalts. The latest results show that the Moon globally/nearly globally experienced an equilibrium of the Sm-Nd isotopic system at about 4.35 Ga. However, the interpretation of this equilibrium event is still controversial. There are three plausible explanations: (1) the primitive Lunar magma ocean formed at 4.35 Ga and subsequently cooled and differentiated rapidly; (2) the Lunar magma ocean experienced a long period of cooling and differentiation, with the process ending at 4.35 Ga; (3) a global event occurred on the Moon at 4.35 Ga, which caused the equilibrium reset of Sm-Nd system. In addition, large variations in ε142Nd values (from ?0.19 to ?0.01) have been reported for bulk Lunar silicates. Therefore, the previous view that the initial composition of the Moon is consistent with the chondritic composition (142Nd=?0.19) has been questioned. So far, the formation and evolution of the Moon are still unclear, and the Sm-Nd isotopic system is an important tool for investigating this.

Moon; Sm-Nd isotopic system; evolution process; chronology

P148; P597

A

0379-1726(2022)06-0716-12

10.19700/j.0379-1726.2022.06.009

2022-03-07;

2022-07-27

國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局項(xiàng)目(D020203)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(B類(lèi))(XDB41020305)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42073061)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2020YFA0714804)聯(lián)合資助。

徐玉明(1996–), 男, 博士研究生, 地球化學(xué)專(zhuān)業(yè)。E-mail: xuyuming@gig.ac.cn

王桂琴(1968–), 女, 高級(jí)工程師, 從事質(zhì)譜儀器應(yīng)用開(kāi)發(fā)和宇宙化學(xué)研究。E-mail: guiqinwang@gig.ac.cn