月球是地球的唯一卫星,是人类进行深空探测的首个试验场。研究月球的火山活动具有十分重要的科学意义,不仅可以帮助我们认识月球本身的热演化历史及幔部源区的组成、结构、年代信息及其他性质等,还能够帮助我们解锁地球早期的岩浆活动与热历史,为类地行星的分异和演化提供证据。月球的火山作用和热演化也是我国月球探测的重要科学目标,我国已经实施的月面巡视任务(“嫦娥三号”)和样品返回任务(“嫦娥五号”)的着陆区均选在月球正面火山活动十分活跃的区域,这对研究月球的火山作用提出了迫切的需求。因此,对月球火山活动和热历史的研究还将为我国未来的嫦娥探月工程的科学目标深化提供重要参考。作为月幔部分熔融的产物,玄武岩是研究月球热历史和月幔源区性质的最佳选择。由于后期的各种地质改造作用较弱,月球的火山作用和热演化历史在玄武岩样品中得到了很好的保存。玄武质岩浆主要充填在月球表面的低洼区域(一般为大型撞击盆地),形成广袤的月海熔岩平原,这些玄武岩因此被称为“月海玄武岩”,它们占据了月球表面约17%的面积。上世纪60-70年代美国的Apollo计划和前苏联的Luna计划返回了大量月海玄武岩样品,此外,很多月球陨石中都有不同含量、不同类型的玄武岩出现,为我们研究月球的火山作用和热历史提供了重要窗口。2020年11月24日,我国成功发射了“嫦娥五号”探测任务,是自阿波罗时代以来人类的首次月面采样返回任务,共返回了1.73 kg的月壤样品。“嫦娥五号”采样点位于月球正面最大的月海——风暴洋北部的吕姆克山脉(Mons Rümker)附近,此地之前从未有其他国家的探测器到访过。着陆区附近的火山作用十分活跃,玄武岩的形成年龄可延伸至距今10亿年前,普遍比人类目前拥有的月海玄武岩样品(≥28亿年)年轻,“嫦娥五号”的取样因此代表了以往未被采样的、新的玄武岩类型,必将填补月球年轻火山作用的一片空白,推进人类对月球火山活动和热演化历史的认知。因此,本研究还将服务于我国未来深空探测的返回样品分析等。本文首先对月球的火山作用进行了简要概述,包括(1)月球的形成和早期“岩浆洋”演化和(2)月海玄武岩火山作用。然后,本文总结了月海玄武岩样品的研究现状,并指出了现阶段研究中存在的主要问题,包括(1)月海玄武岩的分类;(2)Apollo玄武岩的研究现状;(3)月球陨石中玄武岩的研究现状;(4)现阶段玄武岩样品研究存在的主要问题;(5)月海玄武岩的定量岩相学分析。进而引出本文的研究目的、意义及研究内容。然后,本论文简要介绍了所用到的样品,包括Apollo 11高钛玄武岩、Apollo 15低钛玄武岩、及月球陨石Dhofar 1428等,及所用的研究方法,包括岩相学、晶体粒度分布、矿物原位主微量成分、及磷灰石的原位U-Pb同位素定年等一系列分析,并基于上述样品及相关分析方法对月球的火山作用和热历史进行了一系列研究:1.Apollo 11高钛玄武岩的结构和冷却机制。晶体粒度分布(Crystal Size Distribution,CSD)是研究月海玄武岩结构和结晶历史的有效方法。本文对Apollo 11(A-11)高钛玄武岩的不同化学类别进行了钛铁矿和斜长石的CSD分析,以研究它们各自的结构和冷却机制,并揭示结构与组成之间的可能联系。本研究发现,A-11的A类玄武岩在所有Apollo高钛玄武岩(包括A-11和Apollo 17)中具有最快的冷却速率。B1类玄武岩的钛铁矿经历了深部-月表两阶段的冷却,该类别同时具有最慢的冷却速率。A-11的B3类、U类及最粗粒的A类(10072,53)样品中的钛铁矿发生了堆晶或热变质作用导致的晶体粒度粗化。不同矿物结晶的早晚会影响它们的成核密度,进而影响本研究中各样品的结构:钛铁矿在高钛玄武岩中是最早结晶的矿物之一,通常在岩浆喷发时已经饱和,此时体系中的岩浆相互连通,且没有更早期形成的晶体的阻碍,因而会导致大量的、小粒度的钛铁矿晶体的自由成核和生长。而斜长石的形成较钛铁矿晚,只在喷发后才开始结晶,由于只能从一些被早期晶体分离开的晶间熔体中结晶,其成核和生长受到已经存在晶体的阻碍。早期结晶过程释放的热量和早期结晶相的隔绝阻碍作用,使得斜长石有相比钛铁矿更慢的冷却速率和更低的成核密度,因而可以形成比钛铁矿更少数量的、相对粒度更大的晶体。B2和B3类玄武岩的斜长石有更陡的CSD(对应更快的冷却速率)和更高的成核密度,说明这些玄武岩中的斜长石在月表的结晶比其他类型的玄武岩更早,此时的残余岩浆仍旧是相对连通的,因此可以形成更多数量的、更小粒度的斜长石晶体。控制A-11高钛玄武岩结构的因素主要是冷却速率,全岩组成对早期结晶相——钛铁矿的结晶也有一定程度的影响。2.Apollo 15低钛橄榄玄武岩的冷却机制和演化历史。本研究对18块不同成分和结构的Apollo 15(A-15)低钛橄榄玄武岩进行了橄榄石的CSD分析,以研究它们各自的冷却机制和结晶历史。所有A-15橄榄玄武岩的橄榄石CSD图形十分一致,都表现为向上弯曲或扭折的形态,并且以~0.25-0.4mm为界,可分为大-小两个粒度群,说明它们有着相似的演化历史和冷却条件。尽管有部分重叠,A-15橄榄玄武岩整体仍具有比其他所有Apollo玄武岩样品更大的橄榄石CSD斜率-截距,说明了更快的冷却速率。15676,12和15557,94在所有A-15橄榄玄武岩中具有最大的CSD斜率-截距,说明了最快的冷却速率,它们与其他A-15样品不同,其橄榄石CSD斜率-截距落在结晶撞击熔体,而非内生玄武岩区域,因此可能为撞击熔融成因。但是全岩亲铁元素组成揭示其确为内生玄武岩,这说明快速的冷却速率是影响这些样品结构的最主要因素,而形成机制对结构的影响则十分有限。后续对各样品中橄榄石的原位成分分析有助于更好地解释A-15橄榄玄武岩的成因和演化历史。3.月球陨石Dhofar 1428中的最古老高钛玄武岩。为了对Apollo玄武岩样品进行有效的补充,保证所研究样品的多样性和代表性,本文对月球陨石Dhofar 1428中的玄武岩碎屑进行了详细研究,以更全面地了解月球的岩浆作用和热历史。该样品是一块复成分角砾岩,含有多种类型的岩石碎屑,其中最重要的发现是一个高演化的高钛玄武岩碎屑,其辉石的环带十分发育。通过对该玄武岩中矿物环带平衡熔体的计算,本文发现富镁的核部辉石来自轻稀土(Light Rare Earth Element,LREE)富集的熔体,而富铁的边部辉石则来自LREE亏损的岩浆。本文认为,富铁边部辉石的LREE亏损特征是由于其与磷灰石共结晶的结果。富镁的核部辉石说明月球内部存在比KREEP(钾K、稀土元素REE、磷P的缩写,月球“岩浆洋”末期的残余熔体,被认为是月球上最演化、最富集不相容元素的物质)更富REE、且与KREEP的REE组成完全不同的富集型岩浆。该玄武岩中辉石Ti/Al原子比的波动可能代表了多期岩浆补给事件或者晶体在成分复杂多变的母岩浆房内运动,说明该玄武质岩浆的形成有一系列复杂源区的参与。本文还对该玄武岩中的磷灰石颗粒进行了原位的SIMS U-Pb定年,其U-Pb谐和年龄(3941±24 Ma,2σ)和²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb等时线年龄(3934±24 Ma,2σ)有很好的一致性,说明该高钛玄武岩最可能的结晶年龄为~3940 Myr,是迄今月球上发现的最古老高钛玄武岩之一。综上所述,本论文的研究结果可以加深我们对月海玄武岩火山作用和热演化的认知,包括不同类型和结构的Apollo玄武岩的冷却机制和演化历史,以及月球陨石中玄武岩的成分、年代学特征及其对Apollo玄武岩样品的补充和对全月火山作用的指示意义等。这对地球等类地行星的热演化和开展比较行星岩石学研究等具有重要的参考意义,有助于实现我国嫦娥探月工程的科学目标深化。