第五章 月球化学（1）
1 月球化学概论
在月岩和月壤中已发现组成地球物质的全部化学元素，按地球化学的元素分类，可将其分为亲铁元素、亲铜元素、亲石元素、亲气元素，具体情况可见表1、表2、表3。
表1 月球物质中的亲铁、亲铜、亲石和亲气元素
|
亲铁元素 |
亲铜元素 |
亲石元素 |
亲气元素 |
|
Fe、Cu、Ni、Ru、 Rh、Pd、Os、Ir、 Pr、Cu、Au、W、 Re、Ge、As、Sb、 Sn、Cs、Bi |
S、Se、Te、 Ag、Cd、Hg、 Tl、Pb、Bi、 In、Mo |
Li、Na、K、Rb、 Ce、Be、Mg、Ca、 Sr、Ba、B、Al、 Se、Y、La、Lu、 Si、Ti、Zr、Hf、 Th、P、V、Nb、 Ta、Mn、O、Cr、 U、Ga、F、Cl、 Br、I |
He、Ne、Ar、 Kr、Xe、H、 N、C |
表2 月壤中亲气元素的丰度
|
元素 |
丰度（μg/g） |
来源 |
|
H |
0.1~211 |
太阳风 |
|
He |
1~63 |
— |
|
3He |
(0.4~15 ng/g) |
|
|
N |
13~153 |
太阳风 |
|
C |
10~280 |
太阳风 |
|
S |
20~1330 |
本土的 |
表3 月球的化学组成及与CI陨石、Eucrite陨石母体的比较（质量分数）
|
氧化物 |
月球整体 |
月壳 |
月海玄武岩 |
CI |
EPB |
|
SO2 |
43.3~48.7 |
45.0 |
37.8~48.8 |
33.3 |
39.0~46.0 |
|
TiO2 |
0.2~0.4 |
0.6 |
0.4~13.0 |
0.1 |
0.1~0.2 |
|
Al2O3 |
3.7~7.6 |
24.6 |
5.3~14.4 |
2.4 |
2.4~3.1 |
|
FeO |
11.3~13.9 |
6.6 |
10.7~22.3 |
34.0 |
14.4~28.3 |
|
MgO |
25.3~33.4 |
6.8 |
5.7~22.0 |
23.4 |
28.5~32.5 |
|
CaO |
3.4~6.1 |
15.8 |
6.3~12.5 |
1.9 |
1.2~2.5 |
|
Na2O |
0.05~0.15 |
0.5 |
痕量~1.0 |
1.1 |
0.04~0.07 |
|
K2O |
~0.01 |
0.1 |
痕量~0.3 |
1.1 |
≤0.01 |
|
Cr2O3 |
0.3~0.4 |
0.1 |
0.2~0.9 |
0.5 |
0.5~0.8 |
相比太阳星云的平均化学成分，月岩的化学成分要更加富含难熔的亲石元素，亏损亲铁、亲铜和挥发性元素，并且有着极低的K/U比值和较高的Cr/V比值，而且难熔元素约占月球质量的65%。
2 月球的六类元素
依据化学元素在月球中的相对丰度、分布特征、地球化学行为和元素载体（岩石、矿物、月壤等）的性质，可将这些元素分为六大类，即主量元素、不相容微量元素、无规律性微量元素、亲铁元素、挥发性元素和太阳风注入元素，由于这六大类元素的划分没有绝对的界限，故存在一些跨类别的元素。
表4 月球物质的六种元素类型
|
主量元素 |
不相容微量元素 |
无规律性微量元素 |
亲铁元素 |
挥发性元素 |
太阳风注入元素 |
|
O、Si、Mg、 Ca、Fe、Na、Ti、Al |
Li、Be、B、 K、Rb、Y、 Zr、Nb、Sn、Ca、Ba、REE、Hf、Ta、U、Th |
P、Sc、V、Cr、Mn、Ga、Sr |
Fe、Co、Ni、Ge、Mo、Ru、Rh、Pd、Sb、W、Re、Os、Ir、Pt、Au |
F、S、Cl、Cu、Zn、As、Se、Br、Ag、Cd、In、Te、I、Hg、Tl、Pb、Bi |
H、He、C、N、Ne、Ar、Kr、Xe |
元素的离子半径对元素的分布起着控制作用，并且不同地球化学行为的元素在月球中的丰度与分布有着不同的特征。
2.1 月球的主量元素
（1）概论
月球的主要元素是构成月球物质的主体，其丰度从大到小排序为O、Si、Al、Mg、Fe、Ca、Ti、Na。
其中，作为月球丰度最高的元素，O原子在月球总原子物质的量中占比60%，质量占比45%，并且都以与其他元素组成的化合物的形式存在；Si原子占据16%~17%物质的量，质量占比21%；Al原子在月球高地占据10%物质的量，质量占比13%，而在月球正面的玄武岩月海中占据4.5%物质的量，质量占比5%；Ca和Mg原子都占据月球大约5%物质的量，其中Mg元素质量占比5.5%，其中在月球高地Ca元素质量占比10%，但在月海中这两种元素都只占4.5%物质的量，其中Ca元素质量占比8%；Fe原子在月球高地中占2.5%物质的量，质量占比6%，在月海中则占6%物质的量，质量占比15%；Ti和Na在月球中的丰度极低，其中Ti在月球高地的质量占比超过1%，在月海中则达到大约5%。
由于主量元素与氧元素相关的化学成分是已知的，可与根据其化学成分结合元素含量来计算这些元素的氧化物含量。
（2）主量元素形成的矿物和岩石
月球上所有的主量元素阳离子都会和氧离子结合形成氧化物，但不会形成简单的氧化物，而是形成复杂的硅酸盐、氧化物矿物或者在岩石撞击熔融作用下形成玻璃质。
通常情况下，可以根据组成岩石的矿物成分来解释月球物质中主量元素之间的丰度关系。
在月球高地和月海中都含有斜长石，这是一种固溶体且由两种主要成分组成，即钙长石（CaAl2Si2O8）和钠长石（NaAlSi3O8），其中钙长石是主要成分，而钠长石只占百分之几。月球表面的绝大多数Al元素都存在于斜长石中，并且斜长石在月球高地上的含量要比月海的要高。由于斜长石是白色的，导致了月球高地要比月海更亮一些。
辉石是月球表层含量最高的暗色矿物，主要以高钙辉石和低钙辉石这两种形式存在，其中高钙辉石是由Ca2Si2O6、Mg2Si2O6和Fe2Si2O6的固溶体组成，从矿物学角度来讲，其主要组成为透辉石（CaMgSi2O6）和铁钙辉石（CaFeSi2O6）的固溶体。低钙辉石的固溶体介于顽辉石（Mg2Si2O6）和铁辉石（Fe2Si206）之间。
除此之外，在月表还有一种暗色矿物橄榄石的存在，它是由镁橄榄石（Mg2SiO4）和铁橄榄石（Fe2SiO4）的固溶体组成。
钛元素主要存在于钛铁矿（FeTiO3）等相关矿物中。
月球高地主要由斜长岩以及少量的苏长岩、橄长岩组成，斜长岩中的斜长石主要由90%以上质量的钙长石组成。
鉴别岩石类型可以参考Mg’值，即[MgO/(MgO+FeO)]的摩尔（物质的量）比值。月球高地月壤的Mg’值大致在0.67~0.71之间。绝大多数的多矿物岩石都具有较高的Mg’值（0.75~0.85之间），尤其是存在于苏长岩和橄长岩中的辉石和橄榄石。月海玄武岩中的辉石和橄榄石要比月球高地岩石含有更多的铁，即较低的Mg’值，并且月海玄武岩也含有含量差异很大（1%~>20%）的钛铁矿及其氧化物矿物。钛铁氧化物矿物也是月海玄武岩中含有大量铁元素的主要原因之一。
（3）主量元素的丰度和相互关系
根据Apollo 11号和17号分别在月海和月球高地所采集的月壤，可以得知月海尤其是月海火山灰中的TiO2含量要高于月球高地的多矿物成分岩石。
在月海玄武岩中含有月球最高的铁氧化物。其中，在角砾岩和月壤中FeO的含量主要与月海玄武岩和高地铁镁质物质的相对百分比相关。在月球高地的长石质岩石中的FeO含量很低，在以纯橄榄石和尖晶石橄长岩为代表的部分高地岩石中含有高于多数月海玄武岩的MgO含量，这体现在Apollo 12号和16号所采集到的月壤样本中。
在月球，Al2O3的含量从大到小分别为高地钙长石岩石、月海玄武岩、纯橄榄石，CaO的最低含量则为高地的纯橄榄岩和尖晶石橄长岩。
已采集到的月球样品中普遍贫Na元素。
除此之外，根据已采集到的月球样品，可以发现月球不同元素组成的化合物之间存在一定的相关性，并且这些相关性在月海和高地还会存在明显的差异性：
例如，FeO与Al2O3存在负相关性，这是由于月岩中的斜长石含量与铁镁质矿物含量之间存在负相关性；而FeO+MgO与Al2O3也存在负相关性，并且在月海中这种负相关性要更加明显，其原因是月海中含有更多的高钙辉石。
高地月岩中CaO与FeO呈负相关性，但CaO与Al2O3却存在正相关性，反映出高地斜长岩含量要高于镁铁质矿物，而月海中CaO与FeO，CaO与Al2O3并没有明显的相关性，这是因为月海玄武岩的辉石属于高钙类型，使CaO含量保持恒定。
虽然斜长岩中斜长石固溶体的端元矿物钠长石中的Na可能与FeO存在负相关性，但在高地样品中却发现Na2O与FeO，Na2O与CaO，Na2O与Al2O3之间都不存在明显的相关性。
在月球高地，SiO2和FeO之间存在微弱的正相关性，这是由于辉石中的SiO2含量要高于钙长石，导致SiO2和FeO含量会随辉石的增加而增加，在花岗岩中SiO2含量最高，而苏长岩中相对较高的Si含量表明其中的辉石是含有Mg的顽辉石。而在月海玄武岩中，低钛部分要比高钛部分含有更多的FeO和相对较少的SiO2。
在月球高地FeO含量小于8%的物质中MgO与FeO之间存在一定的相关性，其中高地榄长岩含有相比其它高地岩石更多的铁镁质矿物及其中的镁氧化物，尤其在高地尖晶榄长石中含量最多。当月海玄武岩中钛铁矿含量较高时，Mg/Fe比值会很高，当钛铁矿含量较低时，Mg/Fe比值仍然较高，但在FeO含量为9%时，月海玄武岩中的多矿物角砾岩和月壤整体的Mg/Fe比值会略微下降。
月球高地物质中的TiO2含量会随着FeO的增加而略微增加，尤其是在含有高TiO2的月海玄武岩中最为明显。
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