月球表面挥发性元素的来源仍然是一个备受争议的话题。稀有气体，作为挥发性元素的一大类别，在识别月壤中挥发性元素的多样性中起到了重要的作用，构建了月壤挥发性元素来源（月球大气、太阳风、地球风等）的基本框架（图1）。然而，先前对阿波罗月壤和“起源号”（Genesis）任务采集器中的“太阳风”组分的对比研究表明，两者解译出的氪（Kr）和氙（Xe）同位素存在可辨别的质量或非质量依赖分馏。这意味着，可能存在未知的过程或组分的添加改变了月壤中氪和氙的同位素组成。前人提出^134,136Xe的亏损可能与67P/Churyumov-Gerasimenko型彗星组分或早期地球大气氙的逃逸相关，但对于这些机制的发生时间和结合过程缺乏统一的理解。并且，目前尚未存在一个合适的理论解释月壤中氪同位素的分馏。因此，全面理解这些机制对解释月壤中挥发分的来源、太阳风元素比通量的潜在变化、确定月球极地区域水冰来源以及验证早期地球大气逃逸均具有重要的意义。

图1 影响月球上稀有气体分布和组成的示意图（Nottingham et al., 2022）

针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所博士生张徐航，在导师贺怀宇研究员的指导下，与稀有气体实验室和嫦娥七号挥发分载荷团队成员，联合巴黎地球物理学院Guillaume Avice研究员和英国格拉斯哥大学Finlay M. Stuart教授对嫦娥五号月壤中的稀有气体展开了综合研究。

结果表明，年轻的嫦娥五号月壤与阿波罗月壤在氙同位素组成上存在极为明显的差异。嫦娥五号月壤的氙同位素没有显示出存在地球大气氙的污染（图2a），并首次明确识别出了存在彗星和陨石氙组分（图2b）。这些发现还确定了阿波罗月壤中地球大气氙的来源，并非是样品返回地球后大气的污染，而是来自于早期逃逸的地球大气对月球的输送，古老的地球风或为可能的机制。这说明早期地球大气氙的逃逸在嫦娥五号岩浆结晶冷却（～20亿年）前就已经停止了。

图2 嫦娥五号月壤与阿波罗月壤阶段升温和全熔结果的¹²⁶Xe/¹³⁰Xe与¹³⁶Xe/¹³⁰Xe对比（a），以及¹³⁴Xe/¹³⁰Xe与¹³⁶Xe/¹³⁰Xe对比(b) 

研究者还首次尝试将这些外源性组分的添加纳入到月壤中氪同位素的分馏机制的解释中，对比表明，氪和氙同位素具有很强的相关性（图3）。证明了月壤中氪和氙的同位素分馏与变化与早期地球大气逃逸的输送、彗星和陨石组分不同比例的混入相关，显著改变了月壤氪和氙的同位素组成。

图3 嫦娥五号月壤与阿波罗月壤阶段升温和全熔结果的δ⁸⁰Krsw与δ¹³⁶Xesw对比

在嫦娥五号月壤中，彗星和陨石组分混合比为3:1（图4）。根据氙同位素估计，彗星组分在嫦娥五号月壤中的总占比大约为3%-7.5%。这些外源性组分的添加有效调和了月壤中观察到的氪和氙同位素相对太阳风存在未知分馏的矛盾，同时为太阳风氩/氪/氙元素比的长期恒定性提供了新的见解。

图4 嫦娥五号月壤与阿波罗月壤中的³⁶Ar/¹³²Xe与⁸⁴Kr/¹³²Xe对比

研究成果发表于国际权威学术期刊EPSL（张徐航，苏菲， Guillaume Avice, , Finlay M. Stuart, 郑园园, 刘子恒, 郭伟, Thomas Smith， 刘润川, 陆超, 何叶, 李健楠, 刘冉冉, 贺怀宇*. 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.) 。研究受国家自然科学基金项目（42241105，42241104，42203036）、中国科学院战略先导项目（XDB41010205）、中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-7）、中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-202101，IGGCAS-202203)联合资助。