月球表面覆盖着古老的熔岩流，这些熔岩流成分往往与地球上的截然不同。地球上的火山岩很少含有超过2%的二氧化钛，而月球上的常见火山岩——玄武岩的二氧化钛含量却高达18%，数十年来，行星科学家一直难以解释这一现象。
现在，印度理工学院卡拉格普尔分校和艾哈迈达巴德物理研究实验室的研究人员发表了一项新研究，通过实验解释了这些富含钛的玄武岩是如何形成的。
印度空间研究组织（ISRO）计划于2028年实施月船4号任务，目标是从月球采集岩石样本并带回地球，因此着陆点的选择至关重要。这项研究的发现可以为这一决策提供依据。
该研究主要作者、印度理工学院卡拉格普尔分校副教授苏乔伊·戈什说：“借助月船2号、美国国家航空航天局（NASA）的月球勘测轨道飞行器和其他任务的数据，我们已经详细研究了月球南极附近的区域，包括正在为月船4号评估的区域，比如希夫・沙克蒂地区附近。而我们的研究，从月球深部地质的角度提供了全新认知。”
根据该研究的第一作者希梅拉·莫伊特拉的说法：“着陆器上的高分辨率显微相机可以帮助识别月球岩石中的矿物，而X射线荧光和X射线衍射等仪器可以在采集前确定它们的化学成分。”该研究的合著者、印度理工学院卡拉格普尔分校的博士生塔马尔坎蒂·穆克吉补充说：“拉曼光谱、可见光-近红外光谱等光谱工具可以帮助在岩石被采集前确认其中的矿物相。类似的仪器已经在火星任务中成功使用过。”
欧洲航天局也计划在2028年发射其“月球挥发物与矿物测绘轨道飞行器”任务，以绘制月球上水和钛铁矿的分布图。
大约43亿年前，月球处于冷却阶段，地表曾遍布熔融岩浆洋。在此过程中，橄榄石和斜方辉石首先结晶，然后是斜长石析出并上浮，形成了月球苍白的地壳，最后结晶的是一层致密的、富含铁和钛的层，其中含有单斜辉石、钛铁矿和铁橄榄石等矿物。科学家称之为含钛铁矿堆积岩层（IBC层）。
IBC层密度太大，无法停留在原地。重力将其向下拉，穿过密度较小、富含镁的地幔，这一过程被称为“堆晶翻转”。当它沉入月球内部较热的区域时，IBC层开始熔化。人们普遍认为，它产生的富钛部分熔体是月球富钛玄武岩的来源，但具体形成机理一直存在争议。
此前，研究人员试图在实验室中熔化IBC岩石，生成的熔体与月球表面的玄武岩并不匹配：它们要么镁含量不足，要么密度太大而无法上升并以熔岩形式喷发。这项新研究的作者着手破解这一难题的关键缺失环节。他们在印度理工学院卡拉格普尔分校使用了一种活塞圆筒装置，能够施加高达3吉帕斯卡的压力，这相当于月球内部700公里深处的压力，温度可高达1500摄氏度。
团队设计了两组实验。在第一组实验中，他们在胶囊内将一层合成的IBC层放置在圣卡洛斯橄榄石（地球上的一种矿物，是月球富镁地幔的良好替代品）层之上，并对其施加1至3吉帕斯卡压力、1075到1500摄氏度高温。这种设置模拟了下沉的IBC层与地幔接触的地方。在另一类实验中，团队在施加类似条件之前将这两种材料混合在一起，模拟缓慢下降或上升过程中的化学相互作用。
测试结果表明，高钛玄武岩是在一个涉及反应和混合的复杂过程中形成的。
第一类实验产生的熔体含有9-19%的二氧化钛，但氧化镁含量顽固地偏低，这与早期研究中遇到的差异相同。另一方面，混合实验产生的玄武岩则是镁含量过高，而钛含量过低。
戈什说：“近年来取得了显著进展，我们的研究表明，与行星内部相关的高压实验工作现在可以在印度国内完全进行，这标志着在建设行星科学本土能力方面迈出了重要一步。”
当团队在计算机上模拟，将这两组过程和结果组合起来时，他们发现一部分熔岩可以直接上浮并喷发，形成中等钛含量的岩石；而钛含量极高的熔岩则会滞留在月球深部。之后，从下方新上升的岩浆与这些封存的富钛熔体发生混合，最终一同喷发，形成高钛熔岩。
根据这项研究，这种两阶段模型可以成功重现月球高钛玄武岩中观察到的镁、钛、硅和铁含量，但低估了氧化铝和氧化钙的含量。
该模型还可以解释为什么高钛火山活动贯穿了月球的地质历史，而不是仅限于其最早期：因为这颗天然卫星在其内部拥有一个数十亿年的富钛熔体储存库，等待着合适的条件将它们带到地表。
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