摘要：类地天体壳层物质循环是行星圈层演化的重要过程，然而在行星演化早期，驱动这一过程的机制仍不明确。近期，中国科学院地质与地球物理研究所月球研究团队在这一科学问题中取得了新认识。他们对嫦娥六号样品中的42亿年高铝玄武岩进行研究，发现其中的陨硫铁具有偏重硫同位素特征（δ34S=2.0–2.4‰），表明富集34S的表层脱气月壳物质被卷入了月幔源区。该团队进而对SPA盆地形成过程及随后的月幔对流开展数值模拟，结果显示，被抬升的月壳熔融物质在真空中暴露约一小时而发生脱气，导致熔融月壳物质富集34S；随后，这些月壳物质被输送至大于200 km的深度，为高铝玄武质岩浆提供了混合型的月幔源区。这项基于岩石学-地球化学-数值模拟的综合研究从机制上揭秘大撞击驱动的壳层物质深部循环过程，深化了人们对类地天体早期壳-幔演化的认知。
类地天体壳层物质的深部循环可以促进行星表层与内部之间元素与挥发分的交换，这在地球上主要通过板块运动实现。然而，在没有板块构造的行星和早期地球，壳层物质能否向深部循环以及如何循环，仍不明确。太阳系早期广泛存在的大型撞击作用是一种潜在机制，但由于后期活跃的构造作用，这种证据很难在地球上保留下来。相对而言，月球保存大量古老的撞击记录，是研究太阳系早期大型撞击效应的理想天体。南极-艾特肯（SPA）盆地是月球上最大、最深、最古老的撞击盆地，中国嫦娥六号月壤样品采集于SPA盆地内，为研究太阳系早期大撞击效应提供了珍贵的契机。
最近，中国科学院地质与地球物理研究所月球研究团队对嫦娥六号月壤样品中喷发于42亿年前的高铝玄武岩（图1）开展系统研究。该高铝玄武岩岩屑主要由斜长石、单斜辉石、石英、富钾玻璃、钛铁尖晶石和钛铁矿组成，并含有少量陨硫铁、磷灰石、斜锆石及静海石（图 1b）。团队采用多种温压计算方法，联合限定核部高镁单斜辉石（XMg = 0.45）的形成条件为6.6 ± 2 kbar和1070 ± 50°C，鉴于高铝玄武岩中斜长石结晶早于单斜辉石，因此其源区深度应该不低于120 km。
图 1 嫦娥六号高铝玄武岩的岩相特征与单斜辉石成分面扫描图像。a.嫦娥六号高铝玄武岩的背散射电子（BSE）图像；b.根据电子探针（EPMA）元素面扫描成像数据分类得到的矿物分布图；c.单斜辉石的XMg分布图。d，单斜辉石MgO含量（wt%）分布图
团队通过离子探针微区原位分析，测定该岩屑中陨硫铁的硫同位素组成为δ34S = 2.0–2.4‰，显著高于月海玄武岩中陨硫铁的均一硫同位素组成（δ34S = 0.6 ± 0.3‰）。由于月幔部分熔融和岩浆结晶分异不会显著改变岩浆的硫同位素组成，因此，该高铝玄武岩的高δ34S值应为继承自源区偏重的硫同位素特征。月球上只有经历近真空去气的风化壳样品具有偏重的硫同位素，这意味着高铝玄武岩的月幔源区卷入了经历过表层脱气导致富集34S的月壳物质。因此，破解月壳物质如何进入>120 km的月幔深部，有望揭秘类地天体早期壳层物质深部循环的机制。
团队基于自主开发的三维超高速撞击数值模拟程序SALEc，模拟了SPA盆地的形成过程（图2）。最佳模拟结果显示：撞击产生的熔融月壳与月幔物质在隆升过程中暴露于月表的超高真空环境，持续时间为~3000 s，挥发脱气过程中轻的32S优先损失，使残余熔体富集重的34S。这些经历脱气的表层物质（具有高δ34S值）随后可被输送至200–600 km的月幔深度。
图 2 SPA盆地撞击的形成过程及月壳物质分布。(a)–(d)为SPA盆地形成过程中不同时刻的月壳物质分布，模拟中陨击体直径为350 km、撞击角度为30°、撞击速度为12 km/s
为进一步分析深部月壳物质迁移过程，团队采用CitcomS软件模拟后续的月球内部对流过程，发现由撞击诱发的热异常和化学异常触发了位于SPA盆地内环下方的强烈上涌对流，从而导致深部月壳物质随月幔一起上涌迁移，熔融月壳在30–200 km月幔深度可持续存在长达150百万年，这一动力学过程可以形成高铝玄武岩的混合型月幔源区。
该项研究表明，大型撞击作用可引发月球壳幔物质循环，实现壳幔结构重组，从而为表壳物质向深部运移提供了一种全新机制。鉴于撞击事件在早期太阳系中十分普遍，此类壳层物质循环过程在早期类地天体上可能同样广泛存在，并对天体演化产生重要影响。
研究成果发表在国际学术期刊CEE（李华成, 张谦, 李秋立*, 岳宗玉*, 陈意, 杨慕涵, 苏斌, 韩丙耀, 林杨挺, 李献华, 吴福元. Giant impacts trigger crustal recycling as witnessed by sulfur isotopes in lunar basalts [J]. Communications Earth & Environment, 2025, DOI: 10.1038/s43247-025-03037-y.）。研究受国家自然科学基金项目（42225301, 62227901），科技部重点研发项目（2022YFF0503100）和研究所重点部署研究项目（IGGCAS-202401, IGGCAS-202204）联合资助。。
李华成（博士后）
