納米級(jí)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?cè)氯赖姆瓷涔庾V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(duì)月球光譜遙感探測(cè)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(guò)程密切相關(guān)，通過(guò)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?dú)w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(shí)驗(yàn)結(jié)果的證實(shí)。后續(xù)有研究提出其他成因機(jī)制如太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)。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(zhǎng)的空間暴露歷史，證明其經(jīng)受了長(zhǎng)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(shí)，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(guó)嫦娥五號(hào)探測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)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(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽(yáng)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了嫦娥五號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)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(wú)定形富硅組分及富鎂層共存的特征(圖1)，熱力學(xué)計(jì)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(jí)囊泡或由O2和SiO氣體形成(圖2)?；谏鲜龇治鼋Y(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(lái)自礦物破碎過(guò)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(duì)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(duì)月壤光譜改造的貢獻(xiàn)需要進(jìn)一步考慮。

該研究證實(shí)了月壤中單質(zhì)金屬鐵新的成因機(jī)制，為嫦娥五號(hào)著陸區(qū)月壤形成與演化過(guò)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(píng)價(jià)，認(rèn)為該工作是區(qū)別于Apollo樣品的一類(lèi)典型微觀結(jié)構(gòu)，且對(duì)于闡釋太陽(yáng)系無(wú)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(guó)國(guó)家航天局嫦娥五號(hào)月壤樣品的支持，并獲得中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局民用航天項(xiàng)目等的資助。

圖1.嫦娥五號(hào)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

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家嫦娥五號(hào)月壤 嫦娥五號(hào)月壤 五號(hào)月壤 嫦娥五號(hào)