科學家在嫦娥五號月壤中發現鐵橄欖石分解成因單質金屬鐵

基於原位微區電子分析結果,中國科學院地球化學研究所李陽研究團隊首次在嫦娥五號鏟取月壤中找到了鐵橄欖石分解成因納米金屬鐵(npFe0)的確切證據。與Apollo月壤中納米金屬鐵相比,嫦娥五號月壤中鐵橄欖石分解成因的納米金屬鐵在均值粒徑、賦存狀態、形成機制以及光譜改造效應等方面均存在較大差異。

該研究結果表明,月壤形成過程中的衝擊破碎作用以及月壤演化過程中微隕石撞擊的局部熱作用是嫦娥五號月壤中鐵橄欖石分解形成納米金屬鐵的主要原因,同時也可能是全月表月壤形成與演化初期階段納米金屬鐵的重要形成機制之一。

納米級單質金屬鐵(Nanophase iron particles, npFe0)是太空風化作用的特徵產物,廣泛存在於月壤礦物顆粒的表層非晶質環帶以及膠結質玻璃中,其主要研究意義在於:1. 納米金屬鐵能夠顯著改變月壤的反射光譜特徵,使其反射率降低、特徵吸收峰減弱以及連續統斜率紅移,因此對月球光譜遙感探測數據的解譯具有重要影響;2. 納米金屬鐵的均值粒徑、賦存狀態以及形成機制與月壤的形成與演化過程密切相關,因此通過研究納米金屬鐵可以獲取大量月壤形成演化以及月表空間環境演變歷史的信息。納米金屬鐵最先被發現於Apollo月壤之中,其成因主要被歸結於隕石、微隕石轟擊引起的月表物質及撞擊體的汽化沉積作用[1-3],並得到了大量月壤、月球隕石以及地面模擬實驗結果的證實。後續雖有其他成因機制被提出,例如太陽風H注入還原成因,但尚未有直接可靠的樣品分析或模擬實驗結果的證實。然而,Apollo六次登月工程採集的月壤樣品均具有較古老的地質年齡和較長的空間暴露歷史,證明其經受了長期頻繁的太空風化作用改造,這使得Apollo月壤中納米金屬鐵具有較為單一的蒸汽沉積成因特徵的同時,可能也掩蓋了月壤形成與演化初期階段不同成因單質金屬鐵的相關信息。

2020年12月17日,中國嫦娥五號探月工程成功地採集了位於風暴洋北部(43.06°N,51.92°W)的月球樣品並返回地球。同位素年代學的分析結果已經證明了嫦娥五號樣品具有當前已知最年輕的玄武岩年齡(~ 20億年)[4],結合前期研究結果可知,嫦娥五號採樣區表面月壤的形成年齡以及空間暴露歷史遠小於Apollo月壤[5]。因此,嫦娥五號樣品中可能保留了月壤形成與演化初期階段單質金屬鐵形成機制的相關信息。在以上思路的指引下,同時結合前期隕石學研究結果[6-7],中國科學院地球化學研究所李陽研究團隊重點開展嫦娥五號鏟取月壤粉末樣品中富鐵橄欖石原位微區電子學分析。實驗結果表明嫦娥五號月壤樣品中鐵橄欖石顆粒的邊緣普遍具有含氣孔納米金屬鐵與無定形富硅組分以及富鎂層共存的特徵(圖1),通過熱力學計算以及電子損失能量譜(EELS)分析,納米金屬鐵內部的納米級囊泡可能是由O2和SiO氣體形成(圖2)。基於上述分析結果,我們確定了月壤中鐵橄欖石分解形成納米金屬鐵的形成機制以及相關產物。鐵橄欖石表層熔融層以及蒸發沉積層的缺失指示了分解反應在亞固相的條件下發生,該反應發生的熱源可能來自於礦物破碎過程中的摩擦作用或者低速的微隕石轟擊產生的局部熱效應。另一方面,由鐵橄欖石分解在月壤顆粒表面產生的納米金屬鐵通常具有中等的粒徑範圍(10-35 nm),基於前人的研究,該粒徑的納米金屬鐵對光譜的改造效應不同於蒸發沉積作用形成的極細粒納米金屬鐵(~3 nm),因此月球表面由鎂鐵硅酸鹽分解產生的納米金屬對月壤光譜改造的貢獻需要進一步考慮。

科學家在嫦娥五號月壤中發現鐵橄欖石分解成因單質金屬鐵

圖1. 嫦娥五號月壤鐵橄欖石顆粒最表層環帶的成分特徵,主要由含氣孔納米金屬鐵(v-npFe0),富鎂層(Mg-layer)以及富硅組分(Si)組成。

本研究結果證實了月壤中單質金屬鐵新的成因機制,為嫦娥五號着陸區月壤形成與演化過程的研究提供了參考依據,同時也為後續月球、小行星等返回樣品分析提供了新的思路。審稿人對此工作均作出正面評價,認為該研究結果是區別於Apollo樣品的一類典型微觀結構,並且對於解釋太陽系無大氣行星體表面性質具有重要意義(Reviewer #1: This paper describes very interesting space weathering features in the rim of Fe-rich olivine returned Chang’E-5, and space weathering in such high-Fe silicates has not yet been reported on in lunar samples; Reviewer #2: This manuscript well presents important findings to interpret the Surface properties of airless bodies in the Solar System)。

科學家在嫦娥五號月壤中發現鐵橄欖石分解成因單質金屬鐵

圖2. 含氣孔單質金屬鐵的電子能量損失譜(EELS)線掃描和透射電鏡能譜儀(EDS)面掃描結果。

近期該項研究成果以“Nanophase Iron Particles Derived From Fayalitic Olivine Decomposition in Chang’E-5 Lunar Soil: Implications for Thermal Effects During Impacts” 為題發表在Nature Index期刊《Geophysical Research Letters》上,論文第一作者是中國科學院地球化學研究所博士研究生郭壯,通訊作者是中國科學院地球化學研究所李陽副研究員。該成果得到了中國國家航天局嫦娥五號月壤樣品(CE5C0400YJFM00505)的支持以及中科院類地行星先導專項(XDB41000000)、國家自然科學基金委重點基金(41931077)、國防科工局民用航天項目(D020201)、中科院青年創新促進會(2020395)以及中科院重點部署、前沿重點(ZDBS-SSW-JSC007-10,QYZDY-SSW-DQC02)等項目的資助。

參考文獻:

1) Keller, L. P., & Mckay, D. S. (1993). Discovery of vapor deposits in the lunar regolith. Science, 261, 1305–1307. https://doi.org/10.1126/science.261.5126.1305

2) Keller, L. P., & McKay, D. S. (1997). The nature and origin of rims on lunar soil grains. Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, 2331–2341. https://doi.org/10.1016/s0016-7037(97)00085-9

3) Anand, M., Taylor, L. A., Nazarov, M. A., et al., (2004). Space weathering on airless planetary bodies: Clues from the lunar mineral hapkeite. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101, 6847–6851. https://doi.org/10.1073/pnas.0401565101

4) Li Q., Zhou Q., Liu Y., et al., (2021) Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature, 600, 54-58. https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

5) Qian, Y., Xiao, L., Head, J. W., et al., (2021). Copernican-aged (<200 Ma) impact Ejecta at the Chang'E-5 landing site: Statistical evidence from crater morphology, morphometry, and degradation models. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL095341. https:>

6) Guo, Z., Li, Y., Chen, H. Y., et al. (2021). Evidence for the disproportionation of iron in a Eucrite meteorite: Implications for impact processes on Vesta. Journal of Geophysical Research: Planets, 126, e2020JE006816. https://doi.org/10.1029/2020JE006816

7)Guo, Z., Li, Y., Liu, S., et al. (2020). Discovery of nanophase iron particles and high pressure clinoenstatite in a heavily shocked ordinary chondrite: Implications for the decomposition of pyroxene. Geochimica et Cosmochimica Acta, 272, 276–286. https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.036

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