月球-地球样品钾同位素研究

The moon is depleted in volatile elements, compared with the Earth and chondrite. For example, K/U of the moon is 1/5 of that of the Earth. This observation is long thought to be the result of volatile loss during high-energy moon-forming giant impact. Potassium, as a volatile element, is proved to generate isotopic fractionation in evaporation and condensation. So the whole-sphere K isotopic variation between the Earth and moon is not only a key factor to check the high-temperature evaporation and condensation after that, but also a constraint to the physical and chemical parameters of giant impact. Based on the theory above, we plan to analyze the K isotopes of representative samples of the moon and the Earth, including CE-5 samples (obtained in 2017), lunar meteorites, mantle xenoliths and granites. The K isotopic composition of the Earth and moon would be evaluated by these data, which would be a tracer of the Earth-moon giant impact.

月球较地球和球粒陨石亏损挥发性元素，比如月球K/U比值是地球的1/5。该观察事实被认为是月球起源大碰撞高温过程中挥发性元素丢失导致。高温气化-低温冷凝过程中的K同位素分馏已经得到实验证实，因此，地球-月球是否存在全球尺度的K同位素分馏是验证地-月大碰撞气化过程的重要途径，也是制约大碰撞理论物理化学条件的重要因素。根据以上论述，本研究项目拟通过MC-ICP-MS对中国即将采样返回的嫦娥5号样品（2017年）、月球陨石、地幔橄榄岩包体和花岗岩样品进行K同位素研究。通过典型月球样品（月海玄武岩、角砾岩、KREEP岩、斜长岩等）和地球样品（橄榄岩包体和花岗岩）评估地-月全球尺度K同位素差异，示踪地-月大碰撞高温过程。

项目申请立足国际最新开发的钾同位素分析方法和中国嫦娥探月工程计划，针对地球-月球-陨石样品进行研究。本项目按照任务书执行，完成了地球样品和陨石样品采集，月壤样品申请，及系列样品的K同位素测试。对地球总体硅酸盐组成有了新的认识，对内太阳系半挥发性元素不均一分布的国际“难题”有了新的认识。1）完善了K同位素分析方法，通过四件地质标样的淋洗曲线显示，K元素可以在Bio-rad X12阳离子交换树脂和Bio-rad X8阳离子交换树脂上有效分离，且X8的分离效率更高。仪器测试状态显示，K同位素可以在Nu plasma上，通过高分辨率和冷焰条件下进行分析。2）23件标样来自美国欧洲日本和中国等地的国际地质标样测试表明，高温过程的K同位素分馏较小，尤其是来自不同形成环境的基性岩（MORB/OIB）变化较小，相比而言酸性岩K同位素变化略大，但没有较为明显的SiO2和K同位素相关关系，或者略有随SiO2增加逐渐富轻K同位素的趋势；海水K同位素比岩石重约0.5‰，具体原因尚不清楚，可能是水体-岩石间的K同位素平衡分馏，也可能是动力学分馏相关。3）8件陨石样品的K同位素结果表明，冲击对陨石样品的K元素和同位素有显著的影响，可造成极短时间内发生巨大的同位素动力学分馏，这可能表明，作为碱金属的半挥发性元素和作为非碱金属的半挥发性元素可能存在不同的丢失路径，对太阳系半挥发性元素的不均一分布和月球起源大碰撞有重要的指示意义。