納米級單質(zhì)金屬鐵(Nanophase iron particles，npFe0)是太空風(fēng)化作用的特征產(chǎn)物，廣泛存在于月壤礦物顆粒的表層非晶質(zhì)環(huán)帶與膠結(jié)質(zhì)玻璃中，其研究意義在于：納米金屬鐵能夠顯著改變月壤的反射光譜特征，使其反射率降低、特征吸收峰減弱及連續(xù)統(tǒng)斜率紅移，因而對月球光譜遙感探測數(shù)據(jù)的解譯具有重要影響;納米金屬鐵的均值粒徑、賦存狀態(tài)及形成機(jī)制與月壤的形成與演化過程密切相關(guān)，通過研究納米金屬鐵可以獲取大量月壤形成演化與月表空間環(huán)境演變歷史的信息。納米金屬鐵最先發(fā)現(xiàn)于Apollo月壤中，其成因主要歸結(jié)于隕石、微隕石轟擊引起的月表物質(zhì)及撞擊體的汽化沉積作用，并得到了大量月壤、月球隕石及地面模擬實驗結(jié)果的證實。后續(xù)有研究提出其他成因機(jī)制如太陽風(fēng)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(jié)果證實。然而，Apollo六次登月工程采集的月壤樣品均具有較古老的地質(zhì)年齡和較長的空間暴露歷史，證明其經(jīng)受了長期頻繁的太空風(fēng)化作用改造，這使Apollo月壤中納米金屬鐵具有較為單一的蒸汽沉積成因特征的同時，可能掩蓋了月壤形成與演化初期階段不同成因單質(zhì)金屬鐵的相關(guān)信息。

2020年12月17日，我國嫦娥五號探測器采集到位于風(fēng)暴洋北部(43.06°N、51.92°W)的月球樣品并返回地球。同位素年代學(xué)的分析結(jié)果已證明了嫦娥五號樣品具有當(dāng)前已知最年輕的玄武巖年齡(~ 20億年)，且結(jié)合前期研究結(jié)果可知，嫦娥五號采樣區(qū)表面月壤的形成年齡和空間暴露歷史遠(yuǎn)小于Apollo月壤。因此，嫦娥五號樣品可能保留了月壤形成與演化初期階段單質(zhì)金屬鐵形成機(jī)制的相關(guān)信息。在以上思路的指引下，并結(jié)合前期隕石學(xué)研究成果，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽研究團(tuán)隊開展了嫦娥五號鏟取月壤粉末樣品中富鐵橄欖石原位微區(qū)電子學(xué)分析工作。實驗結(jié)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、無定形富硅組分及富鎂層共存的特征(圖1)，熱力學(xué)計算與電子損失能量譜(EELS)分析顯示納米金屬鐵內(nèi)部的納米級囊泡或由O2和SiO氣體形成(圖2)。基于上述分析結(jié)果，研究確定了月壤中鐵橄欖石分解形成納米金屬鐵的形成機(jī)制與相關(guān)產(chǎn)物。鐵橄欖石表層熔融層和蒸發(fā)沉積層的缺失指示了分解反應(yīng)在亞固相的條件下發(fā)生，該反應(yīng)發(fā)生的熱源可能來自礦物破碎過程中的摩擦作用或低速的微隕石轟擊產(chǎn)生的局部熱效應(yīng)。由鐵橄欖石分解在月壤顆粒表面產(chǎn)生的納米金屬鐵通常具有中等的粒徑范圍(10-35 nm)，該粒徑的納米金屬鐵對光譜的改造效應(yīng)不同于蒸發(fā)沉積作用形成的極細(xì)粒納米金屬鐵(~3 nm)，月球表面由鎂鐵硅酸鹽分解產(chǎn)生的納米金屬對月壤光譜改造的貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步考慮。

該研究證實了月壤中單質(zhì)金屬鐵新的成因機(jī)制，為嫦娥五號著陸區(qū)月壤形成與演化過程研究提供了參考依據(jù)，并為后續(xù)月球、小行星等返回樣品分析提出了新思路。審稿人做出正面評價，認(rèn)為該工作是區(qū)別于Apollo樣品的一類典型微觀結(jié)構(gòu)，且對于闡釋太陽系無大氣行星體表面性質(zhì)具有重要意義。

相關(guān)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(fā)表在Geophysical Research Letters上。研究工作得到中國國家航天局嫦娥五號月壤樣品的支持，并獲得中科院、國家自然科學(xué)基金重點基金、國家國防科技工業(yè)局民用航天項目等的資助。

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

圖2.含氣孔單質(zhì)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(jié)果

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