极高钛含量玻璃珠揭示月球近侧结晶岩中富钛辉石的升高并促进大规模火山活动

为什么月球“脸”差异如此显著

永远朝向地球的一面覆盖着广阔的黑色冻结熔岩平原，而隐蔽的背面则更崎岖且颜色较浅。几十年来，科学家一直在探究为何月球的大部分火山活动集中在近侧。本研究利用中国嫦娥‑5号带回的显微玻璃珠来探查月表深处，并发现了一个新线索：近侧深处异常富集的一种重、富钛矿物似乎为那里的额外熔融和喷发提供了动力。

来自机械勺子的微小玻璃线索

嫦娥‑5着陆在近侧的Procellarum KREEP地带，该区域以丰富的火山史闻名。收集的土壤中混有当地岩石碎片以及少量由远处撞击抛来的“外来”物质。在这些颗粒中，团队手工挑选出四个近乎球形、直径仅50–150微米的玻璃珠，并将其结果与先前报告的三个类似玻璃珠结合分析。这些玻璃与典型月球材料相比表现出异常高的钛和铁含量，立即将它们标识为可能记录深部过程的异常样品。

撞击火球，而非普通熔岩喷泉

在显微镜下，这些玻璃珠呈现的纹理指向剧烈的撞击起源，而非温和的火山喷泉。有些含有大量微小的金属铁颗粒；另一些则封存了破碎矿物和气泡冰冻在玻璃中。它们的化学成分也与已知的火山玻璃不匹配，缺乏经典月球熔岩液滴中应有的高镁含量。相反，它们更像是撞击熔体玻璃——当陨石高速撞击月球玄武岩和土壤时，瞬间融化然后淬冷形成的玻璃。由于撞击熔融不会显著改变像钛这样不易移动元素的丰度，这些玻璃珠中极高的钛含量必定在撞击前就已存在于原始来源岩石中。

富重矿物的隐秘层

为追寻该来源，研究者将玻璃珠的化学成分与月球岩浆冷却和结晶的模型进行了比较。没有任何合理的普通熔岩演化路径能生成既低二氧化硅又高钛铁含量的岩石。利用相图计算，他们重建出会结晶到观测到的玻璃成分的固体矿物组合。模型指向一种主要由单斜辉石（常见的地幔矿物）和钛铁矿（密集、富钛的氧化物）组成的岩石，伴有少量斜长石和橄榄石。关键在于，钛铁矿在该组合中约占15–20%，远高于月球平均地幔的预测值。遥感图谱未发现具有足够高钛含量以匹配这些玻璃的地表熔岩，暗示这种异常物质应来自更深、更埋藏的地层，而非普通地表玄武岩。

改写月球早期的岩浆海历史

人们认为月球形成时存在一个全球性的熔融岩浆海，冷却后分层，最终在地幔深处留下一个晚期形成的“含钛铁矿结晶岩”（IBC）层。岩石学实验和新的模型表明，嫦娥‑5的玻璃珠可能是近侧Procellarum地区下方此类IBC层的直接样本，但其钛铁矿含量远高于通常的全球模型。当作者重建在较轻矿物浮到表面形成地壳之前的原始岩浆海时，发现要匹配玻璃珠的成分，需要在近侧该区域的岩浆海中具有明显高于全球平均的钛铁矿比例。相平衡计算随后显示，这一富钛铁矿的IBC在较低温度下即开始熔融，且能产生比典型、贫钛的地幔层更大量的熔体。

为何近侧火山活动远更旺盛

这项工作提出了一个深部的新解释，说明为何近侧被暗色熔岩平原覆盖，而与之地壳同样薄的背面区域（如南极‑艾特肯盆地）却相对缺少熔岩。在Procellarum地区下方，富钛铁矿层在地幔翻转早期会更密集、更易被搅动，并且一旦受热更容易熔融。这将长期产生大量岩浆，驱动大量近侧喷发，即便在月球的后期历史中也是如此。相比之下，背面含钛铁矿较少的地幔会更少熔融，形成的玄武岩流更少且规模更小。简言之，该研究认为月球火山活动两半球不对称的根源，不仅在于地壳厚度或放射性加热，还在于其深部富钛矿物层的隐性差异。

引用: Li, Z., Zhang, B., Qian, Y. et al. Elevated ilmenite in lunar nearside cumulates revealed by extremely high-Ti glass beads augmented large-scale volcanism. Commun Earth Environ 7, 272 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03300-w

关键词: 月球火山活动, 月球地幔, 富钛辉石结晶岩, 嫦娥五号样品, 熔岩平原不对称性