月球表面揮發(fā)性元素的來源仍然是一個備受爭議的話題。稀有氣體，作為揮發(fā)性元素的一大類別，在識別月壤中揮發(fā)性元素的多樣性中起到了重要的作用，構(gòu)建了月壤揮發(fā)性元素來源（月球大氣、太陽風(fēng)、地球風(fēng)等）的基本框架（圖1）。然而，先前對阿波羅月壤和“起源號”（Genesis）任務(wù)采集器中的“太陽風(fēng)”組分的對比研究表明，兩者解譯出的氪（Kr）和氙（Xe）同位素存在可辨別的質(zhì)量或非質(zhì)量依賴分餾。這意味著，可能存在未知的過程或組分的添加改變了月壤中氪和氙的同位素組成。前人提出134,136Xe的虧損可能與67P/Churyumov-Gerasimenko型彗星組分或早期地球大氣氙的逃逸相關(guān)，但對于這些機(jī)制的發(fā)生時間和結(jié)合過程缺乏統(tǒng)一的理解。并且，目前尚未存在一個合適的理論解釋月壤中氪同位素的分餾。因此，全面理解這些機(jī)制對解釋月壤中揮發(fā)分的來源、太陽風(fēng)元素比通量的潛在變化、確定月球極地區(qū)域水冰來源以及驗(yàn)證早期地球大氣逃逸均具有重要的意義。

圖1 影響月球上稀有氣體分布和組成的示意圖（Nottingham et al., 2022）

針對這一問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士生張徐航，在導(dǎo)師賀懷宇研究員的指導(dǎo)下，與稀有氣體實(shí)驗(yàn)室和嫦娥七號揮發(fā)分載荷團(tuán)隊(duì)成員，聯(lián)合巴黎地球物理學(xué)院Guillaume Avice研究員和英國格拉斯哥大學(xué)Finlay M. Stuart教授對嫦娥五號月壤中的稀有氣體展開了綜合研究。

結(jié)果表明，年輕的嫦娥五號月壤與阿波羅月壤在氙同位素組成上存在極為明顯的差異。嫦娥五號月壤的氙同位素沒有顯示出存在地球大氣氙的污染（圖2a），并首次明確識別出了存在彗星和隕石氙組分（圖2b）。這些發(fā)現(xiàn)還確定了阿波羅月壤中地球大氣氙的來源，并非是樣品返回地球后大氣的污染，而是來自于早期逃逸的地球大氣對月球的輸送，古老的地球風(fēng)或?yàn)榭赡艿臋C(jī)制。這說明早期地球大氣氙的逃逸在嫦娥五號巖漿結(jié)晶冷卻（～20億年）前就已經(jīng)停止了。

圖2?嫦娥五號月壤與阿波羅月壤階段升溫和全熔結(jié)果的126Xe/130Xe與136Xe/130Xe對比（a），以及134Xe/130Xe與136Xe/130Xe對比(b)

研究者還首次嘗試將這些外源性組分的添加納入到月壤中氪同位素的分餾機(jī)制的解釋中，對比表明，氪和氙同位素具有很強(qiáng)的相關(guān)性（圖3）。證明了月壤中氪和氙的同位素分餾與變化與早期地球大氣逃逸的輸送、彗星和隕石組分不同比例的混入相關(guān)，顯著改變了月壤氪和氙的同位素組成。

圖3?嫦娥五號月壤與阿波羅月壤階段升溫和全熔結(jié)果的δ80Krsw與δ136Xesw對比

在嫦娥五號月壤中，彗星和隕石組分混合比為3:1（圖4）。根據(jù)氙同位素估計(jì)，彗星組分在嫦娥五號月壤中的總占比大約為3%-7.5%。這些外源性組分的添加有效調(diào)和了月壤中觀察到的氪和氙同位素相對太陽風(fēng)存在未知分餾的矛盾，同時為太陽風(fēng)氬/氪/氙元素比的長期恒定性提供了新的見解。

圖4?嫦娥五號月壤與阿波羅月壤中的36Ar/132Xe與84Kr/132Xe對比

研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊EPSL（張徐航，蘇菲， Guillaume Avice, , Finlay M. Stuart, 鄭園園, 劉子恒, 郭偉, Thomas Smith， 劉潤川, 陸超, 何葉, 李健楠, 劉冉冉, 賀懷宇*. Presence of non-solar derived krypton and xenon unveiled by Chang’e-5 lunar soils [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118725.) 。研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42241105，42241104，42203036）、中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目（XDB41010205）、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007-7）、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目(IGGCAS-202101，IGGCAS-202203)聯(lián)合資助。