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

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与胶结质玻璃中，其研究意义在于：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、特征吸收峰减弱及连续统斜率红移，因而对月球光谱遥感探测数据的解译具有重要影响；纳米金属铁的均值粒径、赋存状态及形成机制与月壤的形成与演化过程密切相关，通过研究纳米金属铁可以获取大量月壤形成演化与月表空间环境演变历史的信息。纳米金属铁最先发现于Apollo月壤中，其成因主要归结于陨石、微陨石轰击引起的月表物质及撞击体的汽化沉积作用，并得到了大量月壤、月球陨石及地面模拟实验结果的证实。后续有研究提出其他成因机制如太阳风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，我国嫦娥五号探测器采集到位于风暴洋北部（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），且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和空间暴露历史远小于Apollo月壤。因此，嫦娥五号样品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，并结合前期陨石学研究成果，中国科学院地球化学研究所李阳研究团队开展了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工作。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、无定形富硅组分及富镁层共存的特征（图1），热力学计算与电子损失能量谱（EELS）分析显示纳米金属铁内部的纳米级囊泡或由O₂和SiO气体形成（图2）。基于上述分析结果，研究确定了月壤中铁橄榄石分解形成纳米金属铁的形成机制与相关产物。铁橄榄石表层熔融层和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矿物破碎过程中的摩擦作用或低速的微陨石轰击产生的局部热效应。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），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），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。

该研究证实了月壤中单质金属铁新的成因机制，为嫦娥五号着陆区月壤形成与演化过程研究提供了参考依据，并为后续月球、小行星等返回样品分析提出了新思路。审稿人做出正面评价，认为该工作是区别于Apollo样品的一类典型微观结构，且对于阐释太阳系无大气行星体表面性质具有重要意义。

相关研究成果以Nanophase Iron Particles Derived From Fayalitic Olivine Decomposition in Chang’E-5 Lunar Soil: Implications for Thermal Effects During Impacts为题，发表在Geophysical Research Letters上。研究工作得到中国国家航天局嫦娥五号月壤样品的支持，并获得中科院、国家自然科学基金重点基金、国家国防科技工业局民用航天项目等的资助。

图1.嫦娥五号月壤铁橄榄石颗粒最表层环带的成分特征，主要由含气孔纳米金属铁（v-npFe⁰）、富镁层（Mg-layer）及富硅组分（Si）组成

图2.含气孔单质金属铁的电子能量损失谱（EELS）线扫描和透射电镜能谱仪（EDS）面扫描结果