科研进展 | 普通球粒陨石中纳米级单质金属铁的辉石分解新成因
图1. 月壤颗粒表层的非晶质层及内含物纳米级单质金属铁颗粒与气泡结构，其成因归结于以微陨石轰击和太阳风注入为主导的太空风化作用。（Noble and Pieters, 2002）
此前的研究结果表明，纳米金属铁主要形成于陨石、微陨石对月球等无大气行星体的轰击过程中[Keller and Mckay 1997; Wang et al., 2012]。即高真空环境下，由陨石和微陨石轰击产生的瞬时高温，造成撞击靶体和撞击体的熔融、蒸发、汽化并分解形成等离子体，Fe2+随后被自由电子还原并沉积形成单质金属铁微粒[Anand et al., 2004]。是否发生还原作用是区分np-Fe0与np-FeNi等其他纳米金属颗粒成因的重要依据。然而，通过进一步的陨石学研究结果表明，在大尺度的撞击作用中，橄榄石可以发生原位分解并还原形成纳米级单质金属铁（np-Fe0）[Moortèle et al., 2007]。这为我们重新理解与认识单质金属铁的成因提供了思路与参考。
图2. 成熟月壤与新鲜月岩粉末的反射光谱特征对比。左图为实验室测得的Apollo 17采样点表层玄武质月壤样品（编号：79221，成熟度Is/FeO为81）与相临采样点的玄武质月岩粉末（编号：70035）的反射光谱数据对比；右图为月球矿物绘图仪（M3，Moon Mineralogy Mapper）获取的月球危海盆地一个小型新鲜撞击坑与周围成熟月壤的反射光谱数据对比。相比于新鲜月岩粉末或月壤，含有大量np-Fe0等太空风化产物的成熟月壤的光谱反射率更低，吸收特征更弱，连续统的斜率也更高（即更红）。（Pieters and Noble, 2016）
图3. Itokawa小行星颗粒（低钙辉石）样品表层的太空风化成因环带及与LL群普通球粒陨石反射光谱特征的对比。（a）低钙辉石颗粒表层的非晶质及其中的纳米级单质金属铁颗粒；（b）低钙辉石颗粒表层的太空风化成因的气泡结构；（c）Itokawa小行星与LL群普通球粒陨石的反射光谱特征对比，太空风化导致了光谱反射率的下降以及连续统斜率的增加。（Noguchi et al., 2011; Tsuchiyama 2014）
图4. 普通球粒陨石GRV 022115中的冲击脉、高压矿物组合（rw：林伍德石；maj：镁铁榴石；mw：镁方铁矿）、单质金属铁（mt：纳米级单质金属铁）及其共生产物（Si：二氧化硅玻璃；Ves：气孔构造）。（Guo et al., 2020）
图5. GRV 022115中辉石分解产生单质金属铁（np-Fe0），二氧化硅和气体（Ves）。（Guo et al., 2020）
图6. GRV 022115中高压斜顽辉石纳米颗粒高分辨影像。（Guo et al., 2020）
上述成果发表在国际地学著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》上，第一作者为博士研究生郭壮，通讯作者为中科院比较行星学卓越创新中心及类地行星先导专项骨干成员李阳副研究员。全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.036
本研究得到中国科学院战略性先导专项培育项目（XDPB11,XDA15020300）、国家自然科学基金面上项目（41673071）等资助。
参考文献
Akira Tsuchiyama. (2014) Asteroid Itokawa A Source of Ordinary Chondrites and A Laboratory for Surface Processes. Elements,10,45-50.
Carle M. Pieters., Sarah K. Noble. (2016) Space weathering on airless bodies. Journal of Geophysical Research-Planets, 121,1865-1884.
Guo, Z., Li, Y., Liu, S., Xu, H., Xie, Z., Li, S., Li, X., Lin, Y., Coulson, I.M., Zhang, M. Discovery of nanophase iron particles and high pressure clinoenstatite in a heavily shocked ordinary chondrite: implications for the decomposition of pyroxene. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 272: 276-286.
KunWang., Frédéric Moynier., Frank A.Podosek., Julien Foriel. (2012) An iron isotope perspective on the origin of the nanophase metallic iron in lunar regolith. Earth and Planetary Science Letters, 337-338, 17-24.
Lindsay P. Keller., David S.McKay. (1997)The nature and origin of rims on lunar soil grains. Geochimica et Cosmochimica Acta. 61, 11:2331-2341.
Mahesh Anand, Lawrence A. Taylor, Mikhail A. Nazarov, J. Shu, H.-K. Mao, and Russell J. Hemley. (2004) Space weathering on airless planetary bodies: Clues from the lunar mineral hapkeite. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101,18:6847-6851.
Noguchi, T., Nakamura, T., Kimura, M., Zolensky, M.E., Tanaka, M., Hashimoto, T., Konno, M., Nakato, A., Ogami, T., Fujimura, A., Abe, M., Yada, T., Mukai, T., Ueno, M., Okada, T., Shirai, K., Ishibashi, Y. and Okazaki, R. (2011) Incipient space weathering observed on the surface of Itokawa dust particles. Science 333, 1121-1125.
S. K. Noble and C. M. Pieters. (2002) Space Weathering on Mercury: Implications for Remote Sensing. Solar System Research, 37,1:31-35.
Sasaki, S., Nakamura, K., Hamabe, Y., Kurahashi, E. and Hiroi, T. (2001) Production of iron nanoparticles by laser irradiation in a simulation of lunar-like space weathering. Nature 410, 555-557.
Van de Moortèle, B., Reynard, B., Rochette, P., Jackson, M., Beck, P., Gillet, P., McMillan, P.F. and McCammon, C.A. (2007) Shock-induced metallic iron nanoparticles in olivine-rich Martian meteorites. Earth and Planetary Science Letters 262, 37-49.
文章来源：中国科学院青年创新促进会