月球诞生于一场巨型撞击事件，新生月球被熔融的岩浆洋完全覆盖。随着岩浆洋逐步冷却结晶，早期在深部形成橄榄石–辉石堆晶体，晚期在浅部形成密度极高的含钛铁矿堆晶体（IBC）。浅部这套致密岩层造成月幔重力失稳，触发大规模物质下沉和月幔翻转。人类至今尚未直接获取月幔岩石样品，月海玄武岩成为我们窥探月球内部的重要窗口。

和地球玄武岩相比，月海玄武岩最显著的特征为其TiO₂含量跨度极大。其中，TiO₂含量大于6 wt%的被称作高钛玄武岩，学界普遍认为它的形成与岩浆洋结晶晚期产生的IBC密切相关。但这里存在一个长期困扰科学家的谜题：含钛铁矿堆晶体~44亿年前就已经形成，而大规模的高钛火山却集中出现在39–35亿年前，持续时间仅约4亿年（图1）。到底是谁按下了高钛火山喷发的按钮，又是什么机制让这场剧烈的火山活动停止？破解这一谜题，对完善月球岩浆洋模型、还原早期月球热状态和厘清月幔翻转过程有着重要科学意义。

图1 月球玄武岩与苦橄质火山玻璃珠TiO₂含量时间分布图

近日，中国科学院地质与地球物理研究所博士生陈浩杰，在苏斌副研究员、陈意研究员指导下，联合吴福元院士、中国科学院地球化学研究所杜蔚研究员等科研人员，依托自主优化的高钛岩浆体系热力学熔体模型，系统计算了不同温压条件、不同月幔堆晶体配比下杂化月幔源区的部分熔融行为，为这一科学谜题给出了全新解答。相平衡计算结果显示：月球高钛岩浆的源区需要有~40–60%的IBC参与杂化，同时经历较高程度的部分熔融（图2），对应的源区深度落在月幔~200–700 km（压力~10–30 kbar）。在深度小于200 km的浅部月幔，岩浆洋堆晶体温度偏低，达不到熔融条件；而深度超过700 km时，高钛熔体的密度大于周围月幔岩石，难以通过浮力运移至地表喷发（图3）。

图2 月幔杂化源区在10、20和30 kbar压力下的二元混合和部分熔融计算结果

图3 月球高钛岩浆起源温度和压力综合约束结果

这一结果揭示，月幔翻转并非一次彻底的过程。一部分IBC在下沉过程中发生熔融，在中上月幔区间（~200–600 km）达到重力平衡而滞留，并没有沉降至核幔边界。这些滞留在中上月幔的IBC，成为数亿年后高钛火山活动的关键物质基础（图4）。

图4 含钛铁矿堆晶体熔体与周围月幔密度差计算结果

既然IBC早已存在于月幔中，为什么大规模高钛火山没有紧随月幔翻转之后立刻出现，而是要等到~39亿年前才集中喷发？该研究提出内外动力耦合模型（图5）：即便中上部月幔早已形成高钛岩浆的源区物质，但实验岩石学揭示IBC熔体和橄榄石–辉石堆晶体只能够在接触界面发生小规模混合，无法形成大规模的高钛岩浆源区。而月球晚期大型盆地撞击事件成为关键开关。剧烈撞击扰动月幔，诱发局部对流与机械搅拌，驱动IBC与周围月幔物质充分混合，形成大规模、高IBC比例的杂化月幔源区，开启了~39亿年前的高钛火山活动；同时，撞击作用造成月壳减薄、产生深大断裂，利于岩浆向上运移喷出月表。随着高钛岩浆大量喷出，中上月幔中可利用的IBC被快速消耗，加之月球整体持续冷却，满足高钛岩浆生成的温压条件逐步消失，高钛火山活动在约35亿年前逐渐停止。

图5 月球高钛火山作用演化示意图

该研究表明，月球高钛火山的短暂出现是月球岩浆洋物质分异、月幔翻转滞留、大型撞击搅拌以及热演化共同写就的一段特定历史。这一研究不仅揭示了月球高钛岩浆的起源与时间窗口谜题，更为理解月球岩浆洋演化和月幔翻转过程提供了坚实的岩石学定量证据。

陈浩杰（博士生）