第五章 月球化学（3）
2.3 无规则性微量元素
P、Sc、V、Cr、Mn、Ga、Sr这些元素通常不属于亲铁元素和不相容元素等元素类型，一般将其归为微量元素和痕量元素。这其中的部分无规律性微量元素（如Ga、Sr）不会进入到硅酸盐熔融物质和普通月球矿物中。
（1）P、K、Ba
P、K、Ba元素在月球上最常见的行为属于不相容元素，并且它们和La元素之间均存在明显的相关性，可以根据La元素的丰度来估算这三种元素的丰度。从月球资源的角度来看，磷酸盐、钾长石、钡长石这样含有很高的P、K、Ba丰度（＞1%）的月球岩石是可能存在的，但总量不会很大。
（2）Sc、V、Cr、Mn
Sc、V、Cr、Mn这四种过渡金属元素可能属于亲铁元素，在月球物质中的含量是从痕量到微量，并且与Mg和Ti有着微弱的相关性。如表11，实验测量了月球主要矿物和典型月球成分的熔融体之间最可能的晶体/液体分配系数。
表11 实验测得的月球几种元素在矿物晶体/液体间分配系数（D）
|
Sc |
V |
Cr |
Mn |
Ga |
Sr |
|
|
斜长石 |
0.02~0.07 |
— |
— |
0.05 |
0.79~0.96 |
1.5~1.9 |
|
低钙辉石 |
0.5~1.4 |
2.8~3.4 |
2~5 |
0.7~0.8 |
— |
0.01~0.02 |
|
橄榄石 |
0.27~0.37 |
0.04~1.3 |
0.6~1.2 |
0.8~1.6 |
0.02 |
0.003 |
|
高钙辉石 |
0.4~8.8 |
2~3 |
1~2 |
0.4~1.2 |
0.14~0.24 |
0.06~0.4 |
|
钛铁矿 |
— |
12 |
6~12 |
1.2 |
— |
— |
|
镁铝尖晶石 |
0.048 |
38 |
77 |
— |
12 |
— |
由表可知，在月球表层最常见的四种矿物（斜长石、低钙辉石、高钙辉石、橄榄石）中，钪（Sc）、钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）都与斜长石不相容，但却与三种铁镁质硅酸盐（低钙辉石、高钙辉石、橄榄石）存在微弱的相容到不相容的关系。这四种元素在典型的高地岩石中几乎不存在，但却在月海玄武岩中相对富集。同理，这些元素在月壤中也具有类似的分布模式，它们在钙长石富集的样品和地球南极月球陨石样品中的丰度比较低。
相比低钛月海玄武岩而言，高钛月海玄武岩中含有更多的Sc元素，但是V和Cr元素则更多的富集在低钛玄武岩的氧化物矿物中。
（3）S、Co、Ni
S作为一种挥发性元素具有类似于Cr元素的分布模式，在典型的月球岩石中S参与形成痕量矿物和微量矿物，在硫铁矿中S是主量元素。在一些特别环境下Co和Ni会具有一定的亲石而不亲铁的地球化学行为。
（4）Ga、Sr
痕量元素Ga和Sr倾向于只与斜长石相容，并被其它常见的月球矿物所排斥，由于月表普遍存在斜长石，导致这两种元素在整个月表样品中含量相当恒定，而在纯橄榄岩中它们的丰度普遍很低。
在大多数情况下，相比于这两种元素，Al元素在斜长石/熔融体中的分配系数大概在2~3之间，要比Ga和Sr的高出2~3倍，并且其对整个熔融体的组成很敏感。
2.4 亲铁元素
亲铁元素包括Fe、Co、Ni、Mo、W、Ge、Sb以及Pt、Ir、Os、Au等铂族元素。由于这些元素很容易被还原成单质金属态，所以更倾向于和单质铁形成合金。在月球样品中Fe一般会与一定量的Ni形成合金，Fe-Ni合金主要以铁纹石（Ni的质量含量为0%~6%）和镍纹石（Ni的质量含量为6%~50%），一般将月球样品中的铁镍合金称之为金属。
一般使用亲铁元素在金属相相对于其在共存硅酸盐中的富集程度来描述其地球化学行为。如表12中列出的几种亲铁元素的金属/硅酸盐分配系数（Dm/s），也就是在平衡状态下金属相中元素的丰度与共存的硅酸盐矿物中该元素丰度的比值。虽然分配系数可能对化学组成的变化、平衡温度较为敏感，但仍可以表明当金属从熔融的金属/硅酸盐系统中分离出来时的相对含量。
表12 实验测定的几种亲铁元素的金属/硅酸盐间分配系数（Dm/s）
|
元素 |
Dm/s |
|
Fe |
大约为10 |
|
Co |
200 |
|
Ni |
5 000 |
|
Ge |
»100，与Ir大致相等 |
|
Mo |
2 000 |
|
Ru |
与Ir大致相等 |
|
Rh |
与Ir大致相等 |
|
Pd |
与Re、Ir和Au相似 |
|
Sb |
>15，但是«Ir的Dm/s |
|
W |
大约为10 |
|
Re |
»2 000 |
|
Os |
与Ir大致相等 |
|
Ir |
大约为100 000 |
|
Pt |
与Ir大致相等 |
|
Au |
>20 000 |
相比月壳而言，大多数陨石都很富铁，并且大多球粒陨石的金属质量分数约为20%，甚至还有不少纯金属陨石。典型的月海玄武岩中金属质量分数<1%，并且月岩中亲铁元素丰度要远低于陨石。
由于月海玄武岩和高地斜长岩不包括撞击混合物，也就是没有丧失原有的岩浆海的化学特征，因此可以根据月球固有的岩浆海来推测这些岩石中亲铁元素的含量。同理，由于绝大多数高地斜长岩都是单矿物的角砾岩，而含有陨石碎片的复矿角砾岩中含有更多的亲铁元素，因此可以通过比较月壤中高度亲铁元素的丰度与典型球粒陨石中该元素丰度的比值来估计陨石的相对含量。
相比于球粒陨石的平均组成，典型的月球火成岩要匮乏亲铁元素，这反映了月球形成前或形成中某些时期金属/硅酸盐的分馏作用。这种匮乏作用的准确形态可以为检验月球起源的各种模型提供关键依据，但由于月球样品中只有Fe、Co、W这三种亲铁元素可在实验室准确测定，再加上早期数据的可靠度以及取样问题导致样品的可靠度，导致当前要想实现该目标仍然需要面对很多的困难与挑战。
在所有月球岩石中，亲铁元素都富集在少数细粒状、随机分布的金属颗粒或其他不透明矿物中。
其中，Ir是最亲铁的元素，在成熟的月壤中其主要来自于陨石的残骸。相比于月壤，单矿岩石（如月海玄武岩和未遭破坏的单矿角砾岩）的Ir丰度极低。除了与Au、Os、Re、Pd这四种元素具有一定的正相关性（如图4）之外，Ir元素的丰度与其它非亲铁元素之间几乎没有相关性。一般情况下，月海玄武岩中Ir丰度为0.001~0.2ng/g，大多数高地单矿岩石中Ir丰度为0.001~0.3ng/g。
图4 月球样品中Ir元素与Au、Os、Re、Pd元素之间的正相关性
此外，Fe是月球上所有亲铁元素中亲铁性最低的元素。在月壤中，只有2%~5%的Fe是以单质的形式存在的，这一含量在月岩中要更低一些，并且成熟月壤中所含的还原铁要低于不成熟的月壤。虽然金属铁颗粒在月壤中的含量极少，但它也包含了许多的亲铁元素在内（如表13）。
表13 由金属Fe颗粒估计三种月壤的亲铁元素丰度
|
Co |
Ni |
Ge |
Pd |
W |
Ir |
Au |
||
|
12001，ω(Fe)=0.124% |
月壤整体组成 |
38 |
314 |
200 |
9 |
630 |
11 |
2.6 |
|
金属的平均组成 |
65 000 |
64 000 |
— |
— |
110 000 |
5 500 |
1 000 |
|
|
金属的分布（%） |
21 |
25 |
— |
— |
22 |
62 |
48 |
|
|
14163, ω(Fe)=0.5% |
月壤整体组成 |
43 |
400 |
720 |
28 |
1950 |
19 |
6.1 |
|
金属的平均组成 |
5 500 |
57 400 |
138 000 |
2 800 |
223 000 |
2 000 |
1 100 |
|
|
金属的分布（%） |
64 |
72 |
96 |
50 |
57 |
53 |
90 |
|
|
456.1，ω(Fe)=0.35% |
月壤整体组成 |
51 |
157 |
200 |
6.2 |
280 |
4.1 |
1.6 |
|
金属的平均组成 |
10 350 |
48 500 |
— |
— |
25 000 |
— |
350 |
|
|
金属的分布（%） |
71 |
108 |
— |
— |
31 |
— |
77 |
|
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