撞击玻璃珠是月壤的重要组成部分，由流星体高速撞击月球表面引发月壤等物质熔融，并在喷溅过程中快速冷却形成。作为月壤中保存撞击作用记录的重要载体，撞击玻璃珠为理解月壳再造过程及地-月空间环境演变给予了关键窗口。此前，学界已顺利获得40Ar/39Ar定年和U-（Th）-Pb定年方法利用撞击玻璃珠探讨地月系统的撞击历史，同时也借助其成分特征研究月壤成分演化、月表水的赋存及氧化还原状态。
由于撞击熔融和冷却过程发生在极短的时间尺度内，多数（约70%）的撞击玻璃珠内部存在未熔化的矿物或岩屑包裹体，呈现非均质特征，反映卷入的月壤材料未能完全熔融。已有研究采用EPMA、SIMS、Nano-SIMS和LA-ICP-MS等多种原位微区分析技术，系统分析了玻璃珠的主要元素、微量元素及同位素组成。尽管成分均一的玻璃珠更合适原位分析，但在实践中，含有较大玻璃基质的非均质玻璃珠亦被广泛应用。然而，非均质玻璃珠内部常出现复杂的成分分区现象，显著增加了原位分析数据的解读难度。
针对这一问题，中国科研实验室地质与地球物理研究所张谦博士后和李秋立研究员，与瑞士洛桑大学Pierre Lanari教授等人合作，选取了嫦娥五号样品中三颗含有较大粒径熔融残留锆石和钙钛锆石的撞击玻璃珠（图1），召开了EPMA和Nano-SIMS主量-微量元素成分成像分析（Mapping），以及SIMS U-Pb/Pb-Pb同位素分析，系统探讨了非均质玻璃珠成分复杂性的成因与意义。
图1 三颗含钙钛锆石和锆石的撞击玻璃珠的BSE图像。（a–c）玻璃珠整体的BSE图像，显示样品中丰富的熔融残留矿物，包括斜长石（Pl）、钛铁矿（Ilm）、橄榄石（Ol）、石英（Qz）、钙钛锆石（Zrc）和锆石（Zrn）等；（d–f） 含锆矿物区域的局部放大BSE图像
BSE图像显示，这三颗撞击玻璃珠经历了不同程度的部分熔融，保留了不同比例的熔融残留矿物，主要为斜长石，并伴有少量钛铁矿、橄榄石、石英等。顺利获得SIMS分析，对其中残留的钙钛锆石和锆石晶体分别进行了Pb-Pb和U-Pb定年，结果显示这些矿物均记录了谐和的年龄信息，分别为4.31 Ga / 3.92 Ga / 2.04 Ga（图2）。这一结果表明，撞击相关的超高温快速熔融-淬冷过程未导致显著的放射性成因铅丢失。结合熔融残留的矿物组合及其成分信息，研究推断4.31 Ga的钙钛锆石来源于月球高地碱性岩套，而3.92 Ga和2.04 Ga的锆石则来源于月海玄武岩。其中，2.04 Ga的年龄与嫦娥五号玄武岩喷发年龄一致，推测该锆石为嫦娥五号采样区本地玄武岩高程度分离结晶过程的产物。
图2 撞击玻璃珠中残留钙钛锆石和锆石的Pb-Pb与U-Pb测年结果。（a） No.1号玻璃珠中锆石晶体的Pb-Pb测年结果，8个测点记录一致的年龄（4.31 Ga），指示未发生明显的铅丢失；（b） No.2号玻璃珠中锆石晶体的U-Pb测年结果，晶体核部测点显示谐和年龄（3.92 Ga），而边部测点因卷入分解的锆石纳米颗粒而显示不谐和；（c） No.3号玻璃珠中锆石晶体的U-Pb测年结果，5个测点记录较一致的谐和年龄（2.04 Ga）
顺利获得电子探针进行元素成分Mapping，结合XMapTools软件进行定量化处理，结果显示，这三颗撞击玻璃珠的玻璃基质均表现出明显的成分非均质性（图3）。从Mapping中提取的单像素点数据显示， MgO/Al2O3和CaO/Al2O3比值变化范围较大，在撞击物源区判别图解中跨越了“月海”和“高地”区域，表明基于单点分析所得的物源信息可能存在偏差。进一步基于Mapping数据计算出的单颗玻璃珠的平均成分，其在物源区判别图上的位置，与结合年龄和矿物成分恢复的物源指示信息一致。这一结果表明，在针对非均质撞击玻璃珠进行物源判别时，采用平均成分比单点成分更为可靠和准确。
图3 No.1号玻璃珠的电子探针定量化成分扫描图
图4 三颗撞击玻璃珠的玻璃基质面扫描结果中提取的像素点MgO/Al2O3和CaO/Al2O3比值密度图。水平虚线表示MgO/ Al2O3 = 1.25，用于区分火山玻璃珠（上方）和撞击玻璃（下方）；垂直虚线表示CaO/ Al2O3 = 0.75，用于区分高地撞击玻璃（左侧）和月海撞击玻璃（右侧）
针对No.1号玻璃珠，利用SIMS对钙钛锆石周围玻璃基质进行了Pb同位素剖面点分析。结果显示，在所有三条剖面上，206Pb计数自靠近钙钛锆石的位置向外逐渐降低（图5），推测这一趋势主要由撞击事件引发的高温条件下钙钛锆石部分熔融释放Pb，并经扩散作用向周围玻璃基质迁移所致。靠近钙钛锆石的玻璃测点，其207Pb/206Pb比值大多与钙钛锆石本身的一致，表明玻璃基质继承了部分熔融钙钛锆石的Pb同位素组成（对于玻璃基质而言，这些Pb属于非放射性成因Pb），且高温扩散过程中未发生明显的同位素分馏。少数远离钙钛锆石的测点表现出更高的 207Pb/206Pb比值，可能源于这些位置包含了从其它含 Pb硅酸盐矿物（如斜长石和辉石）释放出的Pb同位素组成（通常具有较高的非放射性成因207Pb/206Pb比值）。
Nano-SIMS元素Mapping结果进一步显示，残留钙钛锆石周围玻璃基质中Ti、Y和Zr明显富集。提取的元素剖面大多呈现符合扩散控制的成分梯度特征，支持非均质玻璃珠内部成分复杂性主要由高温扩散形成。个别剖面元素分布偏离单纯扩散曲线，可能指示局部熔体对流过程亦对元素迁移产生了一定影响（图5）。因此，相对于均质玻璃珠通常表现出的均一Pb同位素组成和较低比例的非放射性成因Pb（反映了高温熔融过程中继承Pb组分的大量挥发及残余Pb的均一化过程），非均质玻璃珠则显示出明显多样化的Pb同位素组成和较高比例的非放射性成因Pb，其分布特征主要受控于熔融残留月壤物质的成分。已有研究针对两类玻璃珠的U-Pb定年结果也揭示了类似现象，且非均质玻璃珠的校正年龄分布系统性地偏老于均质玻璃珠，这可能反映了非均质玻璃珠中普通铅未能被充分扣除的影响。
图5 玻璃基质的Pb同位素数据及Nano-SIMS元素Mapping结果。（a） No.1号玻璃珠的BSE图像，标注了三条SIMS点分析剖面（P1–P3）和Nano-SIMS Mapping区域（黄色矩形）；（b–e） Nano-SIMS面扫描给出的208Pb、46Ti、89Y和94Zr相对含量分布图。图e中标出了从Mapping中提取的两条剖面P4和P5的位置；（f–h） 沿三条剖面（P1–P3）各分析点的206Pb计数率（cps）变化；（i） 钙钛锆石与玻璃基质中207Pb/206Pb比值的对比；（j） 沿剖面P4和P5提取的89Y和94Zr的cps归一化值
以上研究表明，非均质撞击玻璃珠保留了丰富的外来物质信息，但由于玻璃基质成分复杂，单点成分分析难以对其准确溯源，因此需要结合整体平均成分判断。此外，非均质玻璃珠表现出明显多样化的Pb同位素组成，且含有较高比例的非放射性成因Pb，其成因主要受控于扩散驱动的部分熔融月壤物质的成分分布特征。因此，未来在召开撞击玻璃珠的U-Pb定年研究时，应避免选取非均质玻璃珠作为分析对象，以提高年代学数据的可靠性。
研究成果发表于国际学术期刊CMP（张谦，苏斌，Pierre Lanari，刘嘉惠，郝佳龙，刘宇，陈浏阳，张迪，原江燕，王娟，李献华，李秋立*. Compositional complexity of heterogeneous impact glasses in lunar soils: significance and pitfalls [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 2025. 180: 29. DOI: 10.1007/s00410-025-02220-w.）。研究受国家自然科学基金（42225301, 42241105, 42403008）、中国科研实验室地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-202401）、博新计划（BX20220294）共同资助。
张谦（博士后）
