月球陨石NWA 11801中火山玻璃的特征与成因

陈国柱, 缪秉魁, 黄丽霖, 张川统, 2, 夏志鹏, 彭艳华, 王 茜

(1.桂林理工大学 a.陨石与行星物质研究中心; b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室;c.行星地质演化广西高校重点实验室, 广西 桂林 541006; 2.中国科学院 月球与深空探测重点实验室, 北京 100101)

阿波罗月球探测计划发现月球表面和月壤里存在许多玻璃物质[1-3], 除常见的撞击玻璃碎屑外, 还有许多火山喷发形成的玻璃[4-6]。撞击玻璃是陨石撞击月表产生的, 主要分布于月球表土层或月壤中, 这些撞击玻璃的化学成分通常与原地岩石物质的化学成分相似, 因此, 撞击玻璃成分变化很大, 对撞击玻璃的研究有助于了解撞击区域的环境和基底成分信息[3, 7-9]。火山玻璃则是由火山喷发形成, 它来源于月球内部的岩浆, 是了解月球内部的物质成分信息和岩浆作用的重要窗口[4]。

在对阿波罗月球返回样品里的火山玻璃研究中, 根据登月地点和颜色特点, 已发现和研究了26种月球火山玻璃[5, 10-16]。这些火山玻璃成分记录了其原始岩浆深度的信息, 它们的化学成分呈两个线性系列分布, 表明其来源深度介于～300 km和400 km两个范围[16-17]。这些火山玻璃表面通常有一层特殊的覆膜层(或附着层), 其成分主要是挥发分物质(S、F、Cl), 指示了月球岩浆富含挥发分物质[20]。另外, 月球火山玻璃中还发现了自形橄榄石斑晶包裹体[18, 21]。根据模拟实验, 橄榄石包体能在一定程度上反映岩浆分异演化的过程或条件[22]。总之, 月球火山玻璃是了解月球内部物质的重要窗口, 对了解月球内部岩浆成分及其演化具有重要意义。

除了阿波罗月球样品外, 月球陨石中也不断发现许多玻璃物质[23-24], 其中大多为撞击玻璃, 而火山玻璃很少[25-27]。月球陨石中火山玻璃的研究案例少, 研究程度也不深, 大多只作了简单鉴别和分类[25-27]。由于月球陨石来源的随机性, 其中火山玻璃对研究阿波罗考察点以外的月球区域的火山作用或深部岩浆成分具有非常重要的意义。本次工作在西北非洲NWA 11801月球陨石中发现了9颗火山玻璃颗粒, 本文对这些新发现的火山玻璃进行岩石结构观察和成分分析, 进而探讨其成因以及源区岩浆成分信息。

1 样品和分析方法

NWA 11801是在非洲西北部发现的月球陨石。本次工作对象为0.03 mm标准厚度的光薄片。岩石结构观察和成分分析主要是利用桂林理工大学广西隐伏金属矿产勘查重点实验室的JEOL JXA-8230电子探针微量分析仪(EPMA)和Zeiss∑igma 场发射扫描电镜。矿物成分分析条件: 加速电压15 kV、电子束电流20 nA。分析结果采用自然矿物标准和合成矿物标准, 并基于ZAF程序进行基体校正。每个玻璃颗粒主体成分采用直径为5～10 μm的散焦光束分析4～8次, 在测定过程中避开了玻璃颗粒中的气泡和矿物碎屑。玻璃中的微晶和矿物颗粒成分则是用直径1 μm的聚焦光束测定。

2 分析结果

NWA 11801为复矿碎屑角砾岩, 含有丰富的碎屑角砾(～90%), 角砾的主要类型有撞击熔融角砾(IMB)、玄武岩屑(G)、斜长岩屑(F)、辉石岩屑(Px)、火山玻璃(VG)、撞击玻璃(IG)、辉石和斜长石矿物屑等。该陨石薄片样品在结构上存在明显的不均一性, 是由明显不同的两部分组成(图1), 以中间实线为界，将其划分为左半部和右半部：左半部主要由大颗粒的撞击玻璃、大颗粒的辉石岩屑以及一些细小的矿物碎屑组成; 而右半部主要由中等颗粒大小的撞击熔融角砾、岩石碎屑、玻璃碎屑和细小的矿物碎屑组成。在化学成分上, 左半部分物质总体上比右半部分物质有更高的FeO含量, 但其MgO含量则比右半部分低。这些撞击熔融角砾主要以斜长石、辉石、橄榄石和隐晶质-玻璃基质组成。而岩屑包括斜长质岩屑、玄武岩岩屑等, 斜长质岩屑主要由富钙斜长石、辉石或橄榄石组成, 辉长岩岩屑主要由辉石、橄榄石和斜长石组成，辉石岩屑主要由粗粒的低钙辉石颗粒组成。矿物碎屑包括辉石、斜长石、橄榄石等。这些玻璃角砾、岩屑和矿物碎屑嵌入以细晶为主的基质中。

图1 NWA 11801月球角砾岩的背散射电子图像拼图

NWA 11801中的玻璃物质存在两种成因类型: 撞击熔融玻璃和火山玻璃, 它们在形态和大小上存在明显差异。该玻璃样品的结构和成分特征如下。

2.1 NWA 11801玻璃的结构特征

陨石薄片中共发现了24颗玻璃颗粒, 这些玻璃表现出一定的形态结构差异。根据玻璃的形状、结构，以及玻璃内部微晶的分布、数量和形态的差异, 可将这些玻璃划分为6种类型:

类型一: 该类型玻璃仅发现1颗, 即VG-1, 几乎是由纯净的玻璃组成。其外形为椭圆形(图2a), 大小50 μm×95 μm, 玻璃外围出现一圈细粒状淬火冷凝形成的微晶结构(图2b), 微晶的数量约占整个玻璃面积的20%。整颗玻璃内部结构均一, 无外来杂质。

图2 玻璃类型一的结构(VG-1, BSE图像)

类型二: 即VG-2玻璃颗粒, 是一颗含有橄榄石斑晶的隐晶质玻璃(图3a)。玻璃外形为圆球形, 大小为600 μm×700 μm, 主体为隐晶质玻璃, 玻璃内部含有橄榄石斑晶, 在橄榄石斑晶周围出现针叶状微晶结构(图3b), 微晶数量占整个玻璃面积的20%左右。该玻璃内部共有6颗橄榄石斑晶(图4),其大小从10 μm×20 μm至45 μm×80 μm不等, 晶体形状为多边形状, 边缘多为平直。橄榄石斑晶在VG-2玻璃内部具有自形结晶特征, 个别颗粒边部圆滑(如图4a颗粒两端); 橄榄石颗粒内部有似圆形的熔融包体, 包体内部嵌满了针叶状玻璃微晶(图4中MI)。玻璃中, 除却橄榄石包体外, 玻璃内部结构一致, 无其他的外来杂质。

图3 玻璃类型二的结构(VG-2, BSE图像)

图4 火山玻璃和撞击玻璃中的橄榄石特征(BSE图像)

类型三: 该类型玻璃有2颗(VG-3和VG-4, 图5), 其共同特点是两颗玻璃的形状都为圆球形, 且为隐晶质。VG-3玻璃颗粒的大小16 μm×18 μm, 内部有较大的气孔(～30 vol%), 无微晶结构(图5a)。VG-4大小为30 μm×35 μm, 在玻璃外围出现了细粒状微晶, 微晶面积占整个玻璃面积的30%左右(图5b)。该类型的两颗玻璃内部结构均一, 且都无外来杂质出现。

图5 玻璃类型三的结构(BSE图像)

类型四: 该类型玻璃有3颗, 即VG-5、VG-6和VG-7, 其外形均为不规则状, 由隐晶质玻璃和微晶组成, 且在玻璃内部都出现了气孔, 气孔不规则状。VG-5玻璃大小为70 μm×90 μm, 主体为隐晶质玻璃, 细粒状的淬火冷凝形成的微晶分布在玻璃外围一圈(图6b),微晶的面积约占整个玻璃面积的30%, 玻璃内部还有一个大的气孔(～35 vol%)(图6a); VG-6的大小为20 μm×30 μm, 玻璃中可见极少量的微晶(～1 vol%), 微晶呈细粒状；该玻璃内只分布少量的气孔(～2 vol%)(图6c); VG-7大小为30 μm×35 μm, 玻璃内部一半面积为隐晶质玻璃, 一半为针叶状微晶, 玻璃内部出现了大面积的气孔(～35 vol%)(图6d)。该类型的3颗玻璃内部均未发现有外来杂质,内部结构都表现出均一性。

图6 玻璃类型四的结构(BSE图像)

类型五: 该类型有2颗玻璃(VG-8和VG-9), 内部全由微晶结构构成(图7)。VG-8为圆球形, 局部有轻微凹陷；VG-9外形为不规则多边形, 棱角浑圆, 二者大小分别为60 μm×60 μm和30 μm×30 μm, 其整体都发生了淬火结晶, 可见细粒树枝状的微晶交错紧密的分布在整颗玻璃里。两颗玻璃内部结构均一, 无任何外来杂质出现。

图7 玻璃类型五的结构(BSE图像)

类型六: 共发现15颗该类型玻璃(IG-1～15), 在形态上多为不规则状, 如不规则颗粒状(图8a、b)或流动形态(图8c、d)。玻璃内部几乎都会出现气孔结构, 且玻璃内部基本都有矿物碎屑分布其中(图8b、c、d), 但也有少数部分玻璃内部结构均匀, 未见矿物碎屑存在(图8a)。另外, 该类型玻璃中包裹的橄榄石也与VG-2中的橄榄石具有显著的差异。在该类型玻璃中, 橄榄石颗粒呈不规则形状, 无自形结晶的结构特征,橄榄石内部无包体,橄榄石周围的玻璃也无微晶析出(图4f)。

图8 NWA 11801中部分类型六玻璃(BSE图像)

2.2 NWA 11801玻璃化学成分特征

NWA 11801中9颗玻璃(VG-1～9)主体的EPMA分析的化学成分结果见表1, 其主量元素成分(wB): SiO244.7%～48.3%, Al2O38.60%～9.83%, MgO 11.3%～13.8%, CaO 8.92%～9.85%, FeO 19.3 %～23.2 %; 少量元素TiO2、MnO、Na2O和Cr2O3分布范围分别为0.35%～0.70%、0.22%～0.30%、0.05%～0.27%和0.44%～0.61%(图9); 其他元素K2O、V2O5、NiO的成分分别为0～0.09%、0～0.06%、0～0.04%。其中在VG-5～7中(类型四), 主量元素SiO2为45.8%～47.4%, Al2O3、MgO、CaO、FeO的含量分别为9.74%～9.83%、13.4%～13.8%、9.12%～9.61%、19.3%～19.9%, 少量元素Na2O为0.13%～0.27% 和Cr2O3为0.45%～0.56%(图9)。玻璃中微晶的成分与主体的成分略有差异, 相较玻璃主体部分, 微晶中Al2O3含量稍高, 而CaO含量却略微偏低, 微晶的成分表现为趋向辉石质的成分特征(表1)。此外, 玻璃主体具有较高的MgO/Al2O3值(1.31～1.54), CaO/Al2O3值在0.94～1.13(图10), Mg#值在49.6～55.7。

图9 NWA 11801中火山玻璃和撞击玻璃的主、微量元素的分布

表1 NWA 11801中火山玻璃的化学成分

另外玻璃VG-2中的橄榄石颗粒MgO和Cr2O3的含量较高, 分别为37.8%～40.4%和0.24%～0.40%; FeO和CaO含量略低, 分别为20.0%～21.4%和0.27%～0.38%(表2)。VG-2玻璃里橄榄石还具有较高的Fo值, 分布范围在76.4 mol%～78.2 mol%(图11)。

NWA 11801中类型六的15颗(IG-1～15)玻璃的成分分析数据见表3, 类型六玻璃成分与类型一～五的9颗玻璃(VG-1～9)成分存在差异。类型六主量元素SiO2(47.0%～51.0%)、Al2O3(11.0%～15.5%)和CaO(10.2%～14.8%)含量比那9颗玻璃略高, MgO(4.18%～11.2%)和FeO(14.9%～21.8%)含量比9颗玻璃略低; 少量元素Na2O和Cr2O3分别为0.13%～0.38%和0.09%～0.50%(图9); CaO/Al2O3值在0.77～1.06, 明显具有较低的MgO/Al2O3值(0.30～0.97)(图10)。此外, 类型六玻璃的Mg#值(31.3～52.1)较低, 且分布范围广。

表3 NWA11801中撞击玻璃的平均化学成分

图10 NWA 11801火山玻璃的主量元素MgO/Al2O3与CaO/Al2O3值分布

另外, 相较VG-2玻璃, 类型六玻璃中出现的橄榄石MgO、Cr2O3和CaO含量较低, 其含量分别在23.4%～32.3%、0～0.18%和0.14%～0.32%(表2), FeO含量则稍高(30.1%～39.6%)，并且类型六玻璃里橄榄石的Fo值明显较低(51.4 mol%～65.6 mol%)(图11)。

图11 NWA 11801火山玻璃和撞击玻璃中橄榄石的成分特征

表2 NWA 11801中火山玻璃和撞击玻璃中橄榄石的平均化学成分

3 讨 论

3.1 NWA 11801火山玻璃的判定

根据对阿波罗返回月球样品的研究, 月球火山玻璃和撞击玻璃的结构和化学组分存在明显区别(表4)。阿波罗样品中火山玻璃的主要特征: 1)外形多为圆球状[18]; 2)结构均一, 无外来夹杂物; 3)组分具有均一性; 4)化学成分MgO/Al2O3值大于1.25, CaO/Al2O3值大于0.75。

表4 月球火山玻璃和撞击玻璃的区分特征标准

NWA 11801陨石中发现的24颗玻璃中, 类型一～五的9颗玻璃为同种成因的玻璃。该9颗玻璃中:

(1)有6颗玻璃(VG-1、VG-2、VG-3、VG-4、VG-8、VG-9)外形为圆球状或基本为圆球形。其中5颗(VG-1、VG-3、VG-4、VG-8、VG-9)玻璃内部结构均一, 无外来夹杂物；而VG-2含有特殊的包体, 其内部分布有5颗橄榄石自形斑晶, 橄榄石斑晶周围出现针叶状和树枝状的微晶结构。前人研究表明, 月球火山玻璃内部曾出现橄榄石斑晶, 这些橄榄石斑晶具有典型的自形特征[21], VG-2中橄榄石包体不但具有自形特征, 而且橄榄石四周玻璃还出现快速降温的冷却微晶结构。故这6颗玻璃具有火山玻璃的结构特征。另外, 化学成分特征显示, 6颗玻璃的主量元素及少、微量元素均与类型六玻璃有明显的差异(图9), 且其MgO/Al2O3值(1.31～1.54)均大于1.25(图10), CaO/Al2O3值(0.94～1.13)均大于0.75, 6颗玻璃的化学成分特征表明它们均为火山玻璃。

(2)另外3颗玻璃(VG-5、VG-6、VG-7)外形表现为非圆球状或不规则团块状, 与撞击玻璃非常相似, 存在是撞击玻璃的可能性。随着对火山玻璃的深入研究, 在月球陨石中也观察到火山玻璃外形为非圆球状[27]。本次发现的3颗非圆球状的玻璃内部结构均一, 无任何外来的夹杂物, 与撞击玻璃具有明显差别。比如, 在该样品里发现的玻璃类型六(如IG-5、IG-7、IG-12、VG-15), 外形也都为不规则形状, 但在其玻璃内部矿物碎屑普遍存在, 结构不均一(图8), 为撞击玻璃的结构特征, 它们与这3颗玻璃(VG-5、VG-6、VG-7)形成鲜明的差异。从化学成分分析, 这3颗玻璃的部分元素(如Na、Al、Fe、Cr)分布似乎在火山玻璃和撞击玻璃过渡区域, 但总体上还是属于火山玻璃区(图9)。此外, 3颗玻璃的其他元素(Mg、Ca等)则完全分布在火山玻璃区。最重要的是, 3颗火山玻璃MgO/Al2O3值(1.38～1.40)均大于1.25和CaO/Al2O3值(0.94～0.98)也均大于0.75, 则准确判断它们是火山玻璃[17]。另外, 9颗玻璃的MgO/Al2O3和CaO/Al2O3值都分布在火山玻璃成分范围内, 而类型六玻璃则分布在月海撞击玻璃区(图10)。

综上所述, 结合9颗玻璃的结构特征和化学成分特征, 可判断9颗玻璃均为火山玻璃。

3.2 NWA 11801火山玻璃的成分类型

通过对阿波罗火山玻璃的研究表明, 火山玻璃TiO2含量在0.2%～17.0%[4]。而NWA 11801火山玻璃中TiO2含量为0.35%～0.70%, 含量相对较低(<1%), 这与阿波罗14、17极低钛火山玻璃和阿波罗11、14、16、17绿色玻璃更为相似, 均分布在极低钛玄武岩区(图12a)。而图12b显示, 9颗火山玻璃的SiO2与Mg#值分布也落在或者靠近阿波罗极低钛火山玻璃和阿波罗绿色玻璃的范围区。此外, 9颗火山玻璃的CaO/FeO与CaO/MgO值和Al2O3/FeO与Al2O3/MgO的值, 与阿波罗14、17极低钛火山玻璃以及阿波罗15红色、黄色火山玻璃和阿波罗17红色、黄色火山玻璃分布在同一范围区(图13)。综上, 9颗火山玻璃与阿波罗14、17极低钛玻璃成分分布范围一致, 表明NWA 11801中的火山玻璃的成分与阿波罗14、17极低钛的火山玻璃成分相近。

图12 火山玻璃中TiO2、SiO2与Mg#的关系

图13 火山玻璃中CaO/FeO与CaO/MgO(a)，Al2O3/FeO与Al2O3/MgO(b)相关图

另外, 根据Zeigler等[2]对阿波罗16样品中的铁镁质玻璃的研究及对其类型的划分, NWA 11801中9颗火山玻璃的化学成分分布(图14)具有如下特征:(1)SiO2、Al2O3、CaO、K2O分别与FeO的比值分布(图14a、b、c、f)显示, 一部分火山玻璃分布在玄武岩质玻璃范围区, 另一部分火山玻璃分布在苦橄质玻璃范围区，该分布特征表明9颗火山玻璃为玄武质和苦橄质两种玻璃, 玄武质和苦橄质两种玻璃的分布范围区接近, 这可能是引起9颗火山玻璃分布在两个区域的原因之一。该玻璃类型分布范围区的划分, 其数据只来自于阿波罗16样品中的铁镁质玻璃, 数据不全面, 使得玻璃类型范围区的划分不精确, 这也可能是引起9颗火山玻璃分布在不同区域的另一原因。(2)从MgO与FeO的值关系(图14e)可见, 9颗火山玻璃落在玄武质玻璃和苦橄质玻璃范围区的中间, 该现象指示了它们既有可能是玄武质玻璃也有可能是苦橄质玻璃。(3)而9颗玻璃的TiO2与FeO值分布(图14d)表明, 它们均落在苦橄质玻璃范围区内或范围区附近, 该分布特征说明它们为苦橄质玻璃。结合上述分析, 判断9颗火山玻璃很大可能是苦橄质玻璃。

图14 火山玻璃成分分布范围

3.3 NWA 11801火山玻璃结构特征及其成因

NWA 11801中9颗火山玻璃虽然在成分上非常相似, 但是在结构上表现出差异性, 其差异性主要体现在玻璃的外形以及玻璃内部微晶的数量和形态。9颗火山玻璃按形态可分为圆球形玻璃和不规则形玻璃两类。

圆球状火山玻璃(VG-1、VG-2、VG-3、VG-4、VG-8、VG-9), 内部的微晶数量和形态各不相同。VG-1玻璃内部无微晶, 只在玻璃外围一圈产生了细粒状的微晶; VG-2还有橄榄石包体和微晶; VG-3中无微晶; VG-4中出现了少量的微晶, 微晶形态为细粒状; VG-8和VG-9整颗玻璃全为微晶, 微晶形态为树枝状。玻璃在形成过程中, 其冷却速率通常决定了玻璃内部微晶产生的形态和数量[32-33], 一般来说, 晶体的数量随着冷却速率的增加而减少。玻璃内部微晶的数量从无到有, 再从少到多，相应的微晶形态也从细粒状到树枝状变化, 说明其冷却速率也从快变慢。另外, VG-2结构特殊, 玻璃中微晶数量较少, 基本都分布在玻璃内部橄榄石周围, 且形态为针叶状, 可见VG-2中微晶的出现是由于橄榄石而引起的, 这些橄榄石很可能来自于月球内部(详见3.4节)。VG-2的特殊结构特征表明, 它可能比其他火山玻璃的岩浆来源更深部, 深部的岩浆早期分异结晶形成橄榄石, 而后随着岩浆喷发到月表。而6颗火山玻璃的外形为圆球状, 该形态特征可能是由于玻璃在空中就冷却成圆球形, 或者是岩浆喷发到月表在其完全冷却过程中未受挤压发生变形从而成圆球形。

火山玻璃VG-5、VG-6、VG-7, 外形为不规则形状。这3颗不规则形火山玻璃内部微晶也存在差异, VG-5只在玻璃外围出现细粒状微晶结构; VG-6中出现零星的细粒状微晶; VG-7中微晶数量较多, 微晶占了玻璃面积的一半, 形态为针叶状。微晶的数量以及形态的不同, 说明了3颗火山玻璃的冷却速率不同。同时, 3颗玻璃内部均出现了气孔, 且气孔的形状也为不规则形而非圆形。这3颗火山玻璃的外形和内部气孔形态都反映了在形成过程中未完全固结便受到外界挤压发生变形。

玻璃表现出不同的微晶数量和形态特征, 这些差异性可能是在不同的冷却速率下形成的。火山玻璃的冷却速率可能与喷发的时间段有关, 不同时间段的环境温度不同, 导致了玻璃的冷却速率不同。此外, VG-1和VG-5的结构较为特殊, 玻璃内部无微晶, 只在玻璃外围一圈产生了微晶结构。一般情况下, 火山玻璃喷发到月表与环境接触, 玻璃边部会比核部温度低, 玻璃由内向外结晶。而VG-1和VG-5结构却相反, 该结构的产生可能经历了两个过程：首先它们喷发溅射到月表快速冷却结晶形成玻璃, 接着玻璃颗粒的周围可能经历了岩浆溅射再次受热的过程, 使这两颗玻璃颗粒外围再次升温并缓慢冷却, 最终形成了只在玻璃外围一圈形成微晶的结构。因此, VG-1和VG-5的结构特征说明了它们与其他火山玻璃颗粒是在不同时间段的火山喷发形成。但是, 不同时间段喷发不代表这些火山玻璃来自于不同的火山喷发期次, 这些火山玻璃是否来自于不同的火山喷发期次, 本文还无充足证据证明。此外, 从图15中可见, 9颗火山玻璃的成分均分布在同一小范围区, 各个火山玻璃的成分无较大差异, 反映了它们很可能来源于同一期次火山喷发, 故在此暂且认为9颗火山玻璃是同一期次火山喷发形成。综上分析可得, 9颗火山玻璃是同一期次火山喷发下的不同时间段内形成, 不同的时间段内环境温度不同造成了玻璃的冷却速率不同, 从而形成了不同的结构特征。另外, 微晶结构差异也可能是因为在喷出过程中空中停留时间、喷出溅射距离远近或者喷出后是否受到后期喷出物的掩埋等因素的不同造成的。

图15 火山玻璃中部分主量、少量元素与Mg#相关分布

3.4 NWA 11801火山玻璃中岩浆信息的记录

火山玻璃记录了岩浆及其活动的相关信息。NWA 11801整体结构显示火山玻璃只出现在了薄片的右半部(图1), 右半部矿物颗粒明显比左半部更加细小, 表明右半部经历了火山喷发事件, 火山喷发过程中岩浆喷射飞溅到月表, 这种飞溅过程一定程度上相当于出现了较多的撞击过程, 改造了月壤层的结构, 使得该层的月壤颗粒更细。而左半部的颗粒更加粗大, 左半部与右半部代表了两个月壤结构层。左、右两个月壤结构层分别代表了未经历火山事件的月壤结构层和经历了火山事件的月壤结构层。同时, NWA 11801中火山玻璃的分布特征也提供了更多岩浆喷发和火山活动改造月壤结构层的信息。

火山玻璃的组分能有效指示月球岩浆的组分及其岩浆来源深度的信息。Apollo火山玻璃的组分呈现两个系列分布(图16), 表明两个系列的火山玻璃来自于不同岩浆体系。前人分析这两组岩浆系列可能是由于发生部分熔融的压力不同造成的[16], 系列1的火山玻璃代表来自深度400 km的岩浆体系, 而系列2的火山玻璃代表了来自另一个明显不同深度(～300 km)的岩浆体系。随着研究的深入, Delano[17]又认为，火山玻璃的两个系列分布现象反映了两个地幔岩浆的组成系统, 每个系列代表了月球岩浆组分累积后的两个不同体系, 不同种火山玻璃的成分差异主要取决于物质在不同月幔体系中的质量分数不同。相应地, 本次研究中火山玻璃的成分均落在了系列2的范围内，这表明9颗火山玻璃的原始岩浆均来自于同一个月幔岩浆体系, 其岩浆源成分应是相同的；同时, 9颗火山玻璃的成分均指示了其为极低钛火山玻璃特征(图12), 也表明了它们是来源于同一岩浆源的火山喷发形成的玻璃颗粒。因此, 9颗火山玻璃应为来源于同一岩浆源喷发形成的产物。

图16 NWA 11801火山玻璃和Apollo火山玻璃Al2O3与MgO相关性

火山玻璃是岩浆的直接产物, Roedder等[21]报道了火山玻璃内部存在橄榄石斑晶的现象。在月球岩浆洋结晶初期, 最开始结晶出来的是橄榄石和辉石, 沉在岩浆的底部[34], 火山玻璃内夹带的橄榄石一定程度上指示了岩浆结晶分异的过程。Butler研究发现, 橄榄石越原始, 其Cr2O3含量越高[35]。在NWA 11801中发现1颗火山玻璃内部含有橄榄石且橄榄石周围出现辉石质微晶, 该火山玻璃中橄榄石Cr2O3含量较高(图10), 这表明火山玻璃中的橄榄石可能比撞击玻璃中的橄榄石于月球更深部结晶形成。另外, NWA 11801火山玻璃中, 橄榄石的Fo值较大且更富镁, 也表明这些橄榄石是在岩浆分异结晶较早期形成的。从形态结构上, NWA 11801火山玻璃中的橄榄石具有成分环带和熔融包体, 且晶体外部保留有自形晶体的棱边结构, 这些特征均说明了橄榄石应于火山玻璃之前形成, 很可能为形成于月球内部较早期的矿物, 而后被喷发形成火山玻璃颗粒的岩浆捕获, 形成了包含自形橄榄石斑晶的火山玻璃颗粒。相对地, 撞击玻璃中的橄榄石不具有自形晶体的棱边结构, 且内部无熔融包体, 这些特征与火山玻璃里的橄榄石形成对比, 表明火山玻璃里的橄榄石很可能是岩浆早期结晶的产物。综上分析, 火山玻璃里的橄榄石应是来自月球内部的物质, 提供了月球内部岩浆演化的信息。

4 结 论

(1)经过与撞击玻璃碎屑的结构和成分的对比研究, 在NWA 11801月球陨石中共发现了9颗火山玻璃颗粒。火山玻璃的主要鉴别依据是: 1)形态上, 主要为圆球形; 2)内部结构和质地干净均匀, 外来杂质少; 3)化学成分分布上, 与撞击玻璃有明显区别; 4)MgO/Al2O3值大, 为1.30～1.54。

(2)TiO2丰度(0.35%～0.70%)表明, NWA 11801月球陨石中火山玻璃属于极低钛玄武岩, 其他成分也与阿波罗14、17极低钛玄武岩火山玻璃相近, 说明这块陨石也可能来自于阿波罗14、17号采样点或类似玄武岩分布区。

(3)NWA 11801月球陨石火山玻璃化学成分分布在同一范围内, 不同于撞击玻璃成分区域, 但是这些火山玻璃外形以及内部微晶的数量和形态上存在差异, 比如VG-5～7外形上不规则, 另外, 它们内部的微晶数量也明显不同。造成这些差异的原因可能是, 9颗火山玻璃是同一期次火山喷发下的不同时间段内形成, 不同的时间段内环境温度不同造成了玻璃的冷却速率不同, 从而形成了不同的微晶结构特征。

(4)本次研究发现1颗火山玻璃颗粒内部包裹橄榄石的特殊结构特征, 橄榄石呈自形晶, Fo值较高, 为76.4 mol%～78.2 mol%, 可能指示了这些橄榄石来自于月球内部, 而后被后期喷发的岩浆捕获带到月表, 这些橄榄石可能记录了月球内部岩浆结晶演化的信息。

致谢: 广东惠州市彩源陨石科技有限公司缪秉安先生提供了研究样品, 谢兰芳、刘奕志、吴杰老师给予了实验指导, 贾晓静、郭鑫豪、仲艳、班振瑶、仝记、刘浩、张亦恺等同门的师兄师姐和师弟师妹们给予了帮助, 在此表示衷心的感谢!