Jason Tian，ERDW@ETHz 阅读原文 不同岩石有不同的化学成分非常正常，但是同一个星球上的样品其化学组成会遵循一致的分异规律，因此在一些元素对比图中，来自同一星球不同样品的元素比例会体现相同的趋势（比如同一回归线上的不同散点）。除此以外，同一星体内形成的岩石一些同位素的特征是基本一致的，这些同位素比例（比如之后提到的钛同位素）只取决于星体本身，而不随星体内部物理&化学作用发生改变。因此同位素分析是目前常用的分析样品（陨石）来源的手段。 对于月球来说，月岩（Apollo、Luna 任务带回来的样本，以及来自月球的陨石）的化学成分同地球存在差别（样品间的差异可以通过月球岩浆海结晶分异过程进行解释）。而同位素地球化学特征同地球相对一致。从这两个方面可以将月岩与其他星体的样品做出区分。 但是地月同位素上的一致性本身是有点奇怪的，嫦娥五号的采样则可能对这一问题提出新的证据。 月球地表可以被大致分为两个部分：一部分是 lunar highland（地形更高，更为古老，反射率更高 or 看起来更白），组成为月球岩浆海结晶过程中形成的斜长石地壳（FAN）和之后发生的一些岩浆侵入，另一部分则是 mare basalt（地形较低，更为年轻，反射率较低 or 看起来比较黑），主要成分为玄武岩。Apollo 和 Luna 任务采集的样品覆盖了这两个部分，年龄距今都在 3.2Ga（32 亿年）以上。而这次嫦娥 5 号采集的则可能是距今 1.xGa 的 mare basalt 样品。因此从化学成分本身来说这些采样间自然会存在很多差异，但是如果比较（同位素）地球化学特征的话，美苏这些样品，以及其他来自月球的陨石其实是相对一致的。 月球表面两种不同的区域 mare basalt 中镧系元素比例的相对一致，绝对含量的差别代表岩浆分异程度不同 几个决定元素地球化学行为的因素：元素的挥发性，元素在硅酸盐（地壳 地幔）以及铁（地核）中的分配系数（Goldschmidt 四个分类） 元素分布上月球样品同地球的差别 从元素分布上来说月球（的硅酸盐部分）相比地球（的硅酸盐部分）和 CI 球粒陨石（代表太阳系行星原始成分）相对更缺亲铁和挥发性元素，但是月球相比地球更富铁（分异程度不够） 亲铁元素会在地球地核形成的过程中分化进入地核，因此地球硅酸盐部分含有的亲铁元素比 CI 球粒陨石要低。挥发性元素含量则取决于温度，温度越高，挥发性越强（下图中越靠左）的元素会有更多流失到宇宙中。 纵轴为同 CI 球粒陨石成分对比（注意纵轴数字），横轴为元素的凝结温度，灰色：亲铁元素，黑色：亲石元素，上图为硅酸盐月球，下图为硅酸盐地球 同位素比例上月球样品同地球的一致性 不同天体由于相对太阳的距离以及自身演化过程不同，一些同位素特征也彼此不同，然而就同位素比例而言月球和地球则是相对一致的，并且同太阳系内的其他天体（以不同的陨石作为代表）存在显著差别。 下面几个图中氧同位素反映母体质量变化（在氢存在下，SiO 蒸汽转变为 SiO2 的过程中存在同位素分馏），硅同位素反映硅在硅酸盐和地核间的分异，钛同位素（和氧相似，但因为其较高的凝结温度，行星间的同位素交换平衡更为困难），钨同位素（准确来说是 182Hf/182W）反映地核形成。 氧同位素，TFL: terrestrial fractional line，代表地球 硅同位素，BSE 硅酸盐地球，BSM 硅酸盐月球，其余为其他陨石 钛同位素，地球，月球和其他陨石 钨同位素 月球的经典撞击模型（「canonical」 giant impact model）：一个火星大小的撞击体同地球相撞形成了现在的月球 利用这一撞击模型可以很容易解释月球的物理&化学特征：地月系统的大角动量源于撞击；月球岩浆海源于撞击产生的热量；月球挥发性元素含量因为撞击和岩浆海的形成从而比地球更少；总的铁含量因为撞击发生在地球的地核形成以后，也相对较低。 但在解释同位素组成上这一模型则存在问题：在 canonical model 中月球的大部分材料（>50%）来源于撞击体，而非地球被撞击体剥落的部分。因此成分应当表现为某种陨石和地球的平均，难以解释为何地月同位素成分会如此一致。之后的学者为这个模型打了很多补丁：比如撞击体可能 hit & run 最后逃离了地球；亦或是撞击体的体积同地球其实差不多一致，撞击时地月成分均一化；或者撞击后地月间存在一定的元素平衡，但是都未能得到证实。 因此如果嫦娥五号这次采样能提供新的地球化学证据的话，则可能对之前的经典撞击模型进行修正，或者提出新的模型解释月球形成。 感谢@Judy的补充，今年三月 Nature Geoscience 发表了一篇文章[1]，认为地月氧同位素存在差异。月球内部δ17O 要大于地球的δ17O，而 LMO 上层组分（Lunar crust & High Ti basalt）之所以同地球类似，则因为其同 LMO 挥发分（δ17O 较低）发生了混染。 但是还是一个问题，数据点不多（error bar...） 嫦娥五号这次的取样既可能是 low Ti basalt 也可能是 high Ti basalt，就看能不能对这篇文章里的论点作出补充了。 原文 Figure 2, VLT = very low Ti 阅读原文
