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陈栩琦,March 28, 2023
关于月球的形成过程，前人试图从月球质量、地月系统角动量、月球的元素和同位素组成等多个方面去制约，目前被普遍接受的是“大碰撞”假说：一个被命名为Thiea的天体在与原始地球撞击后，溅射的物质形成了月球。“大碰撞”假说可以解释很多现有的地球物理和化学观测现象，例如：地球与月球相同的自转和公转方向，地月系统的高角动量，月球较小的铁核和较低的密度，以及地球与月球相似的氧同位素组成等等。然而，对于“大碰撞”过程中原始地球、Thiea以及月球之间物质如何混合或交换，还有碰撞之后地球和月球成分如何演化等问题还有待进一步研究。Si同位素（δ30Si）作为一种对星体形成条件、早期过程等敏感的地球化学示踪剂，能够较好的制约大碰撞过程，对月球的形成与早期地球过程给出独特的解释。
通常认为，球粒陨石代表构成行星的初始物质，根据已发表的数据，球粒陨石的δ30Si平均值为-0.49 ± 0.15‰，相比之下地球和月球具有相似且比球粒陨石偏重的Si同位素组成（δ30SiBSE = -0.29 ± 0.07‰，δ30SiLunar = -0.29 ± 0.08‰）。前人研究发现，地幔部分熔融不会产生Si同位素分馏，且月幔岩石的SiO2含量变化不大，因此岩浆分异过程对月海玄武岩Si同位素造成影响的可能性较小，可以认为月幔的Si同位素组成继承原始月盘的硅同位素特征，并未被后续岩浆过程改造。而月球与BSE相似且比球粒陨石偏重的Si同位素组成，可以解释为月球在地球核幔分异之后形成（Armytage等，2012）：在地核形成时轻Si同位素进入金属地核，较重的Si同位素进入硅酸盐地幔，在随后的月球形成过程中，月球和硅酸盐地球达成了Si同位素平衡，因此δ30SiLunar和δ30SiBSE相似且高于δ30SiChondrite。Si同位素组成也可以与Fe指数【Fe/(Fe+Mg)】联合，进一步制约地球和月球的化学组成。通过对月球高地样品的测量以及地球物理观测等手段，得到月球的Fe指数为~0.1到0.18。而Pahlevan和Stevenson（2007）提出了两相大气同质化模型：在月球形成初期、地球处于岩浆洋阶段时，地球的大气由富Fe的汽相和富Mg的液相组成，地球大气通过对流与原始月球进行物质交换，使得地球约月球的O同位素组成趋于一致。通过月球与BSE之间的Si同位素差异（Δ30SiBSE-Lunar = 0.00 ± 0.03‰）来制约地球大气中的汽相和液相比例，可以限制月球的Fe指数不超过BSE的1~1.3倍（Armytage等，2012）。
参考文献
Armytage R.M.G., Georg R.B., Williams H.M. and Halliday A.N. (2012). Silicon isotopes in lunar rocks: Implications for the Moon’s formation and the early history of the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 77: 504-514.
Pahlevan K. and Stevenson D.J. (2007). Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact. Earth and Planetary Science Letters, 262: 438-449.
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