Nature Geoscience：铪-钨(Hf-W)同位素体系研究——对月球形成年龄的指示

月球可能起源于古地球（proto-Earth）和一个早期的行星体（planetary body）之间的一次巨大的碰撞事件。因此，地球和月球不但具有极其相似的化学和同位素体系，而且月球的形成年龄对于地球的起源也是一个重要的约束。

关于月球形成的年龄，有学者主张月球形成较早一些，即太阳系诞生之后的3000万年至1亿年，而另一些学者则认为月球形成要晚一些，即形成于太阳系诞生之后的2亿年。这一争论的一个核心问题是硅酸盐月球（silicate Moon）比全硅酸盐地球（bulk silicate Earth，BSE）含有更多的¹⁸²W。

之前的观点认为，月球和地球形成之后，由于前者比后者所接受的吸积物质（撞击的陨石）占总体质量的比例较低，导致地球上来自陨石的非放射性成因的W更多一些，从而使得地球具有较低的¹⁸²W以及Hf/W比值（相比于地球，球粒陨石具有较低的Hf/W比值以及¹⁸²W）。

德国科隆大学地质与矿物学研究所的Maxwell M. Thiemens研究团队在最新一期的Nature Geoscience杂志上发表了研究成果。他们对一系列的月球样品（高钛玄武岩、低钛玄武岩、富铁的斜长岩以及富KREEP的岩石）进行了ICP-MS（inductively coupled plasma mass spectrometry）高精度的微量元素成分分析，研究结果对月球的形成时间提供了新的证据。

测试结果表明，硅酸盐月球的Hf/W的比值在30.2至48.5之间，明显高于全硅酸盐地球的Hf/W比值（25.8±2.6，图1）。作者认为Hf/W比值差异的原因是在月核（lunar core）形成的过程中，月核吸收了较多的W从而使得硅酸盐月球的Hf/W比值增高了。

图1，本文新测定的月球样品的U/W & Hf/W比值

通过质量平衡模拟，作者证实了月核的形成过程可以产生出硅酸盐月球的Hf/W比值（图2）。结合由实验所得出的配分系数，作者指出月球样品中较高的¹⁸²W可以解释为月球上的¹⁸²Hf→¹⁸²W衰变的结果（¹⁸²Hf→¹⁸²W的半衰期较短，为890万年，也就是说¹⁸²Hf仅在太阳系诞生之后的3000-6000万年内存在）。

图2，月核形成对BSM的Hf/W比值的影响

由此，本文的结论支持月球形成的年龄更早一些的观点，即太阳系诞生之后的大约5000万年时（图3）。

图3，月球的硅酸盐矿物中的W同位素(μ¹⁸²W)与月球的Hf/W比值以及形成年龄的函数关系 

论文信息：MaxwellM. Thiemens. Early Moon formation inferred from hafnium–tungsten systematics [J]. Nature Geoscience, 2019: 696–700.