科学探索|科学家在嫦娥五号月壤中发现铁橄榄石分解成因单质金属铁科学家在嫦娥五号月壤中发现

基于原位微区电子分析结果，中国科学院地球化学研究所李阳研究团队首次在嫦娥五号铲取月壤中找到了铁橄榄石分解成因纳米金属铁（npFe⁰）的确切证据。与Apollo月壤中纳米金属铁相比，嫦娥五号月壤中铁橄榄石分解成因的纳米金属铁在均值粒径、赋存状态、形成机制以及光谱改造效应等方面均存在较大差异。
该研究结果表明，月壤形成过程中的冲击破碎作用以及月壤演化过程中微陨石撞击的局部热作用是嫦娥五号月壤中铁橄榄石分解形成纳米金属铁的主要原因，同时也可能是全月表月壤形成与演化初期阶段纳米金属铁的重要形成机制之一。
纳米级单质金属铁（Nanophase iron particles, npFe⁰）是太空风化作用的特征产物，广泛存在于月壤矿物颗粒的表层非晶质环带以及胶结质玻璃中，其主要研究意义在于：1. 纳米金属铁能够显著改变月壤的反射光谱特征，使其反射率降低、特征吸收峰减弱以及连续统斜率红移，因此对月球光谱遥感探测数据的解译具有重要影响；2. 纳米金属铁的均值粒径、赋存状态以及形成机制与月壤的形成与演化过程密切相关，因此通过研究纳米金属铁可以获取大量月壤形成演化以及月表空间环境演变历史的信息。纳米金属铁最先被发现于Apollo月壤之中，其成因主要被归结于陨石、微陨石轰击引起的月表物质及撞击体的汽化沉积作用[1-3]，并得到了大量月壤、月球陨石以及地面模拟实验结果的证实。后续虽有其他成因机制被提出，例如太阳风H注入还原成因，但尚未有直接可靠的样品分析或模拟实验结果的证实。然而，Apollo六次登月工程采集的月壤样品均具有较古老的地质年龄和较长的空间暴露历史，证明其经受了长期频繁的太空风化作用改造，这使得Apollo月壤中纳米金属铁具有较为单一的蒸汽沉积成因特征的同时，可能也掩盖了月壤形成与演化初期阶段不同成因单质金属铁的相关信息。
2020年12月17日，中国嫦娥五号探月工程成功地采集了位于风暴洋北部（43.06°N，51.92°W）的月球样品并返回地球。同位素年代学的分析结果已经证明了嫦娥五号样品具有当前已知最年轻的玄武岩年龄（~ 20亿年）[4]，结合前期研究结果可知，嫦娥五号采样区表面月壤的形成年龄以及空间暴露历史远小于Apollo月壤[5] 。因此，嫦娥五号样品中可能保留了月壤形成与演化初期阶段单质金属铁形成机制的相关信息。在以上思路的指引下，同时结合前期陨石学研究结果[6-7]，中国科学院地球化学研究所李阳研究团队重点开展嫦娥五号铲取月壤粉末样品中富铁橄榄石原位微区电子学分析。实验结果表明嫦娥五号月壤样品中铁橄榄石颗粒的边缘普遍具有含气孔纳米金属铁与无定形富硅组分以及富镁层共存的特征（图1），通过热力学计算以及电子损失能量谱（EELS）分析，纳米金属铁内部的纳米级囊泡可能是由O2和SiO气体形成（图2）。基于上述分析结果，我们确定了月壤中铁橄榄石分解形成纳米金属铁的形成机制以及相关产物。铁橄榄石表层熔融层以及蒸发沉积层的缺失指示了分解反应在亚固相的条件下发生，该反应发生的热源可能来自于矿物破碎过程中的摩擦作用或者低速的微陨石轰击产生的局部热效应。另一方面，由铁橄榄石分解在月壤颗粒表面产生的纳米金属铁通常具有中等的粒径范围（10-35 nm），基于前人的研究，该粒径的纳米金属铁对光谱的改造效应不同于蒸发沉积作用形成的极细粒纳米金属铁（~3 nm），因此月球表面由镁铁硅酸盐分解产生的纳米金属对月壤光谱改造的贡献需要进一步考虑。