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陈振武,Oct. 18, 2022
月球的起源是行星科学中的重大问题。关于月球起源的问题，学者提出的主要假说有分裂说、俘获说、共吸积说以及经典大碰撞学说。目前经典大碰撞学说最为广泛接受，该模型可以解释地月系统的地球动力学特性、行星密度和广泛的化学特征。该理论认为，在地球诞生的最初阶段，一颗约火星大小名为Theia的天体与原始地球发生了猛烈碰撞，碰撞抛出的碎片在地球轨道附近重新融合冷凝形成了月球。但是大碰撞理论也面临着一些质疑和挑战。根据经典碰撞模型，形成月球的大多数物质来源于碰撞体Theia，由于地外天体的同位素组成通常与地球不同，因此月球与地球的同位素组成完全一致的概率很低。然而对月球和陆地岩石的同位素测量表明，几乎所有同位素体系都难以将月球与地球区分开来，这与大碰撞模型预测的月球和地球具有不同同位素组成相悖。
Nielsen et al. (2021) 等人观察到月球样品和硅酸盐地球（Bulk Silicate Earth, BSE）间存在可分辨的V同位素组成差异，月球V同位素组成为δ51VMoon = -1.037 ± 0.031‰ (2SE, n=26)，地月间V同位素差异为Δ51VEarth－Moon= 0.181 ± 0.035‰。基于核幔分异和大碰撞的假说，他们估计约79-87%的月球物质来源于球粒陨石成分的撞击物，并推测撞击物和原始地球主要来自太阳系内部的同一个同位素储库。在这个模型中，δ51VBSE的值至关重要，Nielsen所使用的δ51VBSE 为-0.856 ± 0.020‰ (2SE, n=76)，但该值的估算方法存有争议，可能导致计算出的月球中来自Theia的百分比存在不确定性。Prytulak et al. (2013) 最早使用8个饱和地幔橄榄岩制约BSE的V同位素组成为 -0.7 ± 0.2‰ (2SD)，该估算值误差很大，不利于各储库之间高精度V同位素的对比。此外，其测得的饱和橄榄岩比洋中脊玄武岩（MORB）具有更高的51V/50V比值，这与地幔中熔融残留物应该富集50V，而非51V的推测相矛盾。因此需要更多的样品和更精确的测量方法来进一步制约BSE和MORB的V同位素组成。随后，Qi et al. (2019) 对来自蒙古的一套地幔橄榄岩包裹体、5个不同地区的3.48 Ga 至2.41 Ga 的科马提岩、1.98 Ga 的奥涅加高原的苦橄岩的V同位素组成进行了分析。科马提岩的V同位素组成和饱和的地幔橄榄岩相同，说明地幔高比例部分熔融不会改变科马提岩原始岩浆的V同位素组成。该研究分析的科马提岩和饱和橄榄岩的V同位素组成没有受到部分熔融、次生蚀变、分离结晶或地壳污染的显著影响，因此，这些样品的V同位素数据可以用来限定地幔源区的V同位素组成。Qi et al (2019) 根据地幔橄榄岩及科马提岩给出了更为精确和准确的BSE的V同位素组成（δ51VBSE = -0.91 ± 0.021‰, 2SE, n=18）。此外，Wu et al. (2018) 对大范围的洋中脊玄武岩开展了高精度的V同位素测试，测量结果为-0.84 ± 0.02 (2SE, n=22)。而Prytulak et al. (2013) 测得的MORB的δ51V平均值为-0.95 ± 0.04‰ (2SE, n=10)。考虑到洋中脊玄武岩δ51V不随MgO含量变化，且MgO含量较高的MORB的V同位素组成比较均一，与采样位置，玄武岩早期分离结晶，部分熔融程度，源区富集程度无关。二者之间的MORB差异并不能归因于岩浆演化，主要原因或许是实验室样品分析与质谱测试之间的偏差。Nielsen et al. (2020) 根据 Prytulak et al. (2013) 测得的地幔橄榄岩和洋中脊玄武岩V同位素数据，结合Wu et al. (2018) 对大范围的洋中脊玄武岩高精度V同位素测试数据以及Qi et al. (2019) 测得的地幔橄榄岩和科马提岩中V同位素数据，得出BSE的V同位素组成为-0.856 ± 0.020‰ (2SE,n=76)。Nielsen et al. (2021) 构建月球起源模型时所使用的δ51VBSE正是引用的该估算值。但考虑到Prytulak et al. (2013) 测得的地幔橄榄岩V同位素数据 -0.7 ± 0.2‰ (2SD)误差较大，且该结果与部分熔融导致重的V 同位素优先进入到熔体的理论预测相矛盾，若结合此值去估算BSE的V同位素组成，可能会影响结果的精度与准确性。此外，由于地幔部分熔融过程会引起微小的V同位素分馏，我们观测到MORB的V同位素组成 -0.84 ± 0.02‰ (2SE, n=22) 比科马提岩 -0.91 ± 0.05‰ (2SD, n=10) 和饱和橄榄岩 -0.91 ± 0.06‰ (2SD, n=8) 系统偏重，所以也不能将洋中脊玄武岩V同位素数据加入到估算BSE的V同位素组成中。因此，Qi et al (2019)估算的BSE的V同位素组成（-0.91 ± 0.021‰）是更加合理和准确的。石震同学将这个δ51VBSE重新代入月球起源双组分混合模型中，与Nielsen的结果进行对比，更加精确地限定了Theia对月球的贡献量。结果表明月球中来自Theia的最小贡献质量分数为40%，最大质量分数为100%。本文的工作将Nielsen et al. (2021) 计算的Theia对于月球形成的最佳贡献值降低了约5%。
参考文献：
Prytulak J., Nielsen S. G., Ionov D. A., Halliday A. N., Harvey J., Kelley K. A., Niu Y. L., Peate D. W., Shimizu K. and Sims K. W. W. (2013) The stable vanadium isotope composition of the mantle and mafic lavas. Earth Planet. Sci. Lett. 365, 177–189.
Wu F., Qi Y., Perfit M. R., Gao Y., Langmuir C. H., Wanless V. D., Yu H. and Huang F. (2018) Vanadium isotope compositions of mid-ocean ridge lavas and altered oceanic crust. Earth Planet. Sci. Lett. 493, 128–139.
Qi Y. H., Wu F., Ionov D. A., Puchtel I. S., Carlson R. W., Nicklas R. W., Yu H. M., Kang J. T., Li C. H. and Huang F. (2019) Vanadium isotope composition of the Bulk Silicate Earth: Constraints from peridotites and komatiites. Geochim. Cosmochim. Acta 259, 288–301.
Nielsen S. G., Bekaert D. V., Magna T., Mezger K. and Auro M. (2020) The vanadium isotope composition of Mars: implications for planetary differentiation in the early solar system. Geochemical Perspect. Lett. 15, 35–39.
Nielsen S. G., Bekaert D. V., and Auro M. (2021) Isotopic evidence for the formation of the Moon in a canonical giant impact. Nature Communications. 12, 1–7.
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