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

纳米铁颗粒(npFe0)是Tai 空风化的特征产物，广泛存在于月壤矿物颗粒和胶结玻璃的无定形区。其研究意义在于:纳米相铁能显著改变月球土壤的反射光谱特征，使其反射率降低，特征吸收峰减弱，连续谱斜率红移，从而对月球光谱遥感数据的解译产生重要影响；纳米金属铁的平均粒径、赋存状态和形成机理与月壤的形成和演化密切相关。通过对纳米金属铁的研究，我们可以获得很多关于月球土壤的形成和演化以及月球表面空之间环境演化历史的信息。纳米金属铁最早发现于阿波罗月壤中，其成因主要归结于陨石和微陨石轰击引起的月面物质和撞击物的蒸发沉积，这一点已被大量月壤、月面陨石和地面模拟实验所证实。后续研究提出了其他遗传机制，如太阳风H的注入和减少，但没有直接可靠的样本分析或模拟结果得到证实。但阿波罗6次登月采集的月壤样品均具有古老的地质年代和空的长暴露历史，证明其经历了长期频繁的风化转化，使得阿波罗月壤中的纳米金属铁具有相对单一的气相沉积成因特征，同时可能掩盖了月壤形成演化早期不同成因的元素金属铁的相关信息。

2020年12月17日，我国嫦娥五号探测器采集了位于风暴洋北部(北纬43.06，西经51.92)的月球样本并返回地球。同位素分析结果证明嫦娥五号样品具有已知最年轻的玄武岩年龄(约20亿年)。结合以往的研究成果可以看出，嫦娥五号采样区表面月壤的形成时代和空之间的暴露历史都比阿波罗月壤小得多。因此，嫦娥五号样品可能保留了月球土壤形成演化早期元素金属铁形成机制的信息。在上述思路的指导下，结合前人对陨石的研究成果，中国科学院地球化学研究所李扬研究团队对嫦娥五号铲取的富含铁橄榄石的月壤粉末样品进行了原位微电子分析。实验结果表明，嫦娥五号月壤样品中镁橄榄石颗粒边缘具有多孔纳米金属铁、无定形富硅组分和富镁层共存的特征(图1)。热力学计算和EELS分析表明，纳米金属铁中的纳米尺寸囊泡是由O2和SiO气体形成的(图2)。基于上述分析结果，确定了月壤中镁橄榄石分解形成纳米金属铁的形成机理及相关产物。铁橄榄石熔融层和蒸发层的缺失表明分解反应发生在亚固态条件下，该反应的热源可能来自矿物破碎过程中的摩擦或低速微陨石轰击产生的局部热效应。月球土壤颗粒表面铁橄榄石分解产生的纳米金属铁通常具有中等粒径范围(10-35 nm)，其光谱转换效果不同于蒸发沉积产生的超细纳米金属铁(~3 nm)。月球表面硅酸镁铁分解产生的纳米金属铁对月壤光谱转化的贡献需要进一步考虑。

该研究证实了月壤中元素金属铁的新成因机制，为嫦娥五号着陆区月壤的形成和演化研究提供了参考，并为后续月球和小行星等返回样品的分析提出了新思路。评审人员做出了积极的评价，认为这项工作是不同于阿波罗样品的典型微结构，对解释太阳系大气行星的表面性质具有重要意义。

相关研究成果发表在《地球物理研究快报》上，标题为“来自嫦娥五号月壤封建橄榄分解的纳米相铁颗粒:撞击期间热效应的含义”。该研究由中国国家航天局嫦娥五号月壤样品项目支持，中国科学院、国家自然科学基金、国防科技工业局民用航天项目支持。

图一。嫦娥五号月壤铁橄榄石颗粒最上层的成分特征，主要由多孔纳米金属铁(v-npFe0)、富镁层(Mg层)和富硅组分(Si)组成。

图二。具有孔隙的金属铁的电子能量损失谱(EELS)线扫描和透射电子显微镜(EDS)表面扫描的结果。

资料来源:中国科学院地球化学研究所