從古至今，月球一直是人們心中的詩與遠方，尤其是在中秋佳節，對皎皎明月的讚美更是不甚枚舉。「皓魄當空寶鏡升，雲間仙籟寂無聲；平分秋色一輪滿，長伴雲衢千里明。」是宋代詩人李朴在中秋賞月時發出的感嘆，面對滿月當空，有幸身處太空時代的我們又該以何種姿態賞月呢？中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室博士生劉小瑩在導師林楊挺研究員的指導下，利用納米離子探針來觀察嫦娥五號玄武岩中隕硫鐵的硫同位素特徵。此「硫」似彼「留」，月夕最流連。
自嫦娥五號（CE-5）樣品返回以來，不同團隊對月壤的基本物性、礦物化學、結晶年齡和源區特徵等進行了研究，表明月球比人們想像中更加「長壽」，但「長壽」的原因仍是未解之謎。為了進一步探究CE-5源區與硫相關的地球化學特徵，我們對CE-5玄武岩中的硫化物開展了系統的岩相學、礦物化學和原位S同位素組成分析。
CE-5玄武岩中的硫化物以隕硫鐵(FeS)為主，以及極微量的黃銅礦(CuFeS2)、方銅礦(CuFe2S3)和鎳黃鐵礦((Fe, Ni)9S8)（圖1）。隕硫鐵是磁黃鐵礦(Fe1-xS)的變種，磁黃鐵礦在地球上十分常見，而隕硫鐵在地球環境中幾乎難以形成。這是因為月球和地球的氧化還原條件很不一樣，月球是一個十分還原的星球，熔體中的S都是以S2-的形式存在，主要在岩漿的晚期與還原的Fe2+結合形成隕硫鐵。隕硫鐵主要有三種岩相背景（圖2）：（1）包裹於輝石或斜長石中，表明可能結晶較早；（2）分布於填隙物中，可能是從最後的殘餘熔體中結晶出來，是晚期結晶的產物；（3）分布於膠結物中。不同岩相背景的隕硫鐵具有相似的化學成分，幾乎是純的Fe和S，其他微量元素的含量都極低。
圖1 CE-5玄武岩中硫化物的背散射掃描電子顯微鏡圖像。（Tr：隕硫鐵, Ol：橄欖石, Px：輝石, Pl：斜長石, Ap：磷灰石, llm：鈦鐵礦, Cpy：黃銅礦, Cub：方銅礦, Pen：鎳黃鐵礦, Q：石英, Bdy：斜鋯石）
圖2 三種岩相背景的隕硫鐵。(a)輝石中的隕硫鐵包裹體。(b)和(c)填隙物中的隕硫鐵，細粒的隕硫鐵在數量上占主導。(d)膠結物中的隕硫鐵。
我們選取不同岩相背景的隕硫鐵（大部分粒徑小於15μm）進行納米離子探針分析以獲得原位硫同位素特徵。納米離子探針已被廣泛應用於行星科學、地球科學等領域，是獲取微小顆粒原位同位素和微量元素組成的利器。其極高的空間解析度和較高的靈敏度使得它在分析微小礦物上相對於LA-ICP-MS和離子探針更有優勢，尤其是一些天體樣品，粒逕往往很小，納米離子探針的優勢得以顯現。CE-5玄武岩中隕硫鐵的硫同位素特徵如下：d34S值分布於-1.6±0.3‰至2.0±0.3‰，無明顯非質量分餾（圖3）；d34S值與隕硫鐵的岩相背景相關，其中包裹於礦物中的隕硫鐵顆粒具有偏重的d34S，平均為1.5±0.3‰，而分布於填隙物中的細粒隕硫鐵具有較寬的分布範圍，平均為-0.2±0.3‰。
圖3 CE-5隕硫鐵的S同位素組成。
上述分析表明隨著結晶和去氣，岩漿的d34S值呈下降趨勢，這與岩漿去氣導致殘餘熔體的d34S逐漸降低相一致。月球樣品普遍受到岩漿去氣的影響，CE-5玄武岩中磷灰石和熔體包裹體的水與氫同位素分析表明水經歷了高程度的去氣丟失（98-99%，Hu et al., 2021, Nature），在此過程中其他揮發性物質如硫等也應該同樣會因去氣而丟失。如果不校正去氣所導致的丟失，那麼追溯月幔源區的S豐度時，結果將會偏低，而S同位素的分餾正好為S的去氣程度提供了有效制約。我們假設d34S的變化全部歸因於岩漿去氣，並且將隕硫鐵包體的最高d34S值視為最初結晶的隕硫鐵的d34S值，根據隕硫鐵與熔體之間的分餾係數，即可得到初始熔體去氣前的d34S以及熔體的平均d34S。利用Saal和Hauri(2021)建立的岩漿去氣模型得到CE-5熔體的d34S從最初的0.5‰演化到-1.0‰需要40%的S從熔體中去氣丟失（圖4）。在這種去氣丟失程度下，CE-5熔體噴發前的初始S豐度校正為~600±300 ppm（圖4）。又由於CE-5玄武岩來源較單一，且經歷了2-3%的部分熔融和43-88%的分離結晶(Tian et al., 2021, Nature),據此推測得到對應源區的S豐度為~1-10 ppm，明顯低於阿波羅玄武岩源區的78.9 ppm。CE-5玄武岩源區強烈的S虧損與貧水特徵是一致的(Hu et al., 2021, Nature)，這進一步支持CE-5月幔源區可能經歷過多次熔體抽取事件，將揮發性物質（如硫, 水等）帶離源區，而貧揮發分的岩漿源區對於長期的火山活動是一個挑戰。
圖4 月球樣品的岩漿去氣模型。（阿波羅樣品的數據來自Saal and Hauri, 2021）
研究成果近期發表於國際學術期刊Geophysical Research Letters（劉小瑩，郝佳龍，李瑞瑛，何雨暘，田恆次，胡森，李靜，谷立新，楊蔚，林楊挺*。Sulfur Isotopic Fractionation of the Youngest Chang'e-5 Basalts: Constraints on the Magma Degassing and Geochemical Features of the Mantle Source. Geophysical Research Letters. 2022, 49, e2022GL099922.https://doi.org/10.1029/2022GL099922）
美編：陳菲菲
校對：萬鵬