磁鐵礦通常涉及古磁場以及地外生命等重大科學(xué)問題，因此在行星科學(xué)領(lǐng)域備受學(xué)者關(guān)注。月球表面極端的還原環(huán)境使得月壤中的鐵元素主要以二價鐵離子（Fe2+）和零價鐵（Fe0）為主，在阿波羅時代僅有非常少量的三價鐵離子（Fe3+）及其賦存礦物被直接探測到。隨著樣品分析以及遙感探測技術(shù)的提升，大量數(shù)據(jù)指示了月表Fe3+的分布，對阿波羅月球樣品的進(jìn)一步分析也確認(rèn)了月表存在磁鐵礦和玻璃質(zhì)等含F(xiàn)e3+的物質(zhì)，然而這些Fe3+通常被解釋為諸如碳質(zhì)球粒隕石、彗星以及地球風(fēng)等外源C-H-O流體的氧化作用，尤其對于月球原生磁鐵礦的形成機(jī)制以及分布特征目前仍不明確。
中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽研究團(tuán)隊(duì)針對嫦娥五號表取月壤粉末中的硫化物顆粒開展深入細(xì)致的原位微區(qū)分析，首次證實(shí)了月壤中存在撞擊成因亞微米級磁鐵礦的存在。研究證據(jù)表明月球表面的硫化物在撞擊過程中會發(fā)生復(fù)雜的氣液反應(yīng)，使得溶解進(jìn)入硫化物的FeO通過共析反應(yīng)生成亞微米級的磁鐵礦以及單質(zhì)金屬鐵。撞擊成因亞微米級磁鐵礦的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)，為學(xué)術(shù)界關(guān)于月壤中可能廣泛存在原生磁鐵礦的猜測提供了直接證據(jù)，同時也能夠?yàn)樵虑虮砻娲女惓５戎卮罂茖W(xué)問題的解釋提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論支撐。
【資料圖】
鐵元素是記錄太陽系氧化還原環(huán)境的重要元素。月球普遍被認(rèn)為是極度還原的，目前對于月球樣品中鐵元素的還原行為研究已經(jīng)非常深入，月壤中廣泛分布的太空風(fēng)化成因納米金屬鐵是對月表極端還原條件的最好證明(Pieters and Noble, 2016)。近年來隨著分析技術(shù)的提升，有學(xué)者在月球樣品中陸續(xù)觀察到含F(xiàn)e3+的物質(zhì)（如磁鐵礦以及玻璃質(zhì)等），同時月船一號搭載的M3光譜數(shù)據(jù)也顯示月球的高緯度地區(qū)廣泛存在赤鐵礦（Fe2O3），月球物質(zhì)中這些氧化態(tài)鐵的分布使得我們不得不重新審視月表的氧化環(huán)境(Joy et al., 2015; Li et al., 2022a; Li et al., 2020)。
磁鐵礦是重要的Fe3+載體礦物，但它在月球樣品中很少被報道。在阿波羅時代，有學(xué)者根據(jù)電子自旋共振和穆斯堡爾譜的研究結(jié)果推斷出阿波羅月壤中可能廣泛存在亞微米級的磁鐵礦，但沒有得到原位礦物學(xué)數(shù)據(jù)的支持(Forester, 1973; Griscom et al., 1973)。Joy等人（2015）通過細(xì)致的礦物學(xué)分析在Apollo月巖樣品中確定了微米級磁鐵礦晶體的存在，并認(rèn)為它們與外源性的碳質(zhì)球粒隕石或者彗星等撞擊體密切相關(guān)，然而這只是月球樣品中的個例，并不能支撐月壤中亞微米磁鐵礦的廣泛分布(Joy et al., 2015)。因此，磁鐵礦在細(xì)粒月壤的廣泛分布仍然是一個謎，其形成機(jī)制也不得而知。
嫦娥五號球形鐵硫化物顆粒內(nèi)部的磁鐵礦晶體
嫦娥五號任務(wù)成功地從年輕的月海玄武巖單元（Em4/P58，~20億年）返回了1.731 kg的月壤物質(zhì)，盡管樣品的分析結(jié)果表明幾乎所有的嫦娥五號月壤都是來自于當(dāng)?shù)匚镔|(zhì)，但是仍然有少部分的月壤顆粒（<5%）是來自于大型撞擊坑的濺射物(Jia et al., 2021; Li et al., 2022b)?？紤]到嫦娥五號玄武巖具有年輕的形成年齡，并且該地區(qū)月壤受到的后期改造過程較為有限，因此嫦娥五號月壤中極大可能的保留了月表撞擊過程的初始反應(yīng)信息。
中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽研究團(tuán)隊(duì)針對嫦娥五號表取月壤粉末（CE5C0400YJFM00505和CE5C0200YJFM00302）中的硫化物顆粒開展了深入細(xì)致的研究工作，首次發(fā)現(xiàn)了撞擊誘導(dǎo)成因的亞微米級磁鐵礦存在的可靠證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)通過掃描電鏡和透射電鏡觀察，在嫦娥五號細(xì)粒月壤中發(fā)現(xiàn)了約2微米直徑的球形鐵硫化物顆粒，該顆粒具有獨(dú)特的形貌特征，具體表現(xiàn)為純金屬鐵的觸須以幾乎相等的間隔從整個球形鐵硫化物顆粒表面突出。嫦娥五號球形鐵硫化物顆粒內(nèi)部普遍具有溶氧的特征并含有大量的亞微米級磁鐵礦和純金屬鐵顆粒（圖1）。鐵硫化物內(nèi)部的亞微米級磁鐵礦晶體（~100 nm）進(jìn)一步通過化學(xué)和結(jié)構(gòu)的綜合分析得到確認(rèn)。透射電鏡能譜面掃描和線掃描的結(jié)果顯示，球形鐵硫化物顆粒內(nèi)含有富氧和富鐵的鐵氧化物相（圖1和2）。此外，電子能量損失譜的結(jié)果指示該鐵氧化物顆粒的FeL2,3譜介于Fe2+和Fe3+標(biāo)樣之間，表明球形鐵硫化物顆粒內(nèi)部的鐵氧化物同時含有Fe2+和Fe3+，并且其比例約為1:2，這與磁鐵礦的化學(xué)成分一致（圖2c）。通過球差校正透射電鏡獲取到的高分辨原子像以及高分辨透射電鏡圖像，最終確認(rèn)了該氧化物顆粒與磁鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)一致（圖2d-e）。綜上，嵌入在球形鐵硫化物顆粒中的鐵氧化物顆粒被確定為亞微米級的磁鐵礦晶體。
圖1 嫦娥五號月壤中含磁鐵礦的球形隕硫鐵顆粒
結(jié)合嫦娥五號月壤中球形鐵硫化物顆粒內(nèi)部的復(fù)雜礦物相關(guān)系，通過熱力學(xué)計(jì)算，最終得到該溶氧鐵硫化物內(nèi)部的磁鐵礦與金屬鐵的共存是FeO共析反應(yīng)的結(jié)果（4FeO = Fe3O4 + Fe）?；诖祟惇?dú)特的鐵硫化物顆粒的形貌特征以及化學(xué)特征，推測該顆粒可能經(jīng)歷了含氧硅酸鹽氣體與鐵硫化物熔融液滴的氣-液相反應(yīng)過程。硅酸鹽的氣化、氧的溶解以及磁鐵礦與金屬鐵顆粒相的平衡析出等這些典型特征暗示了嫦娥五號月壤中溶氧鐵硫化物顆粒是月表的大型撞擊事件的產(chǎn)物。
圖2 嫦娥五號球形鐵硫化物顆粒中磁鐵礦的成分及結(jié)構(gòu)證據(jù)
撞擊成因磁鐵礦對月表磁異常的啟示
自阿波羅時代以來，月表磁異常是月球研究的一個重要科學(xué)問題，其成因仍在爭論?；谇叭说恼J(rèn)識，月表磁異常的產(chǎn)生主要取決于月球外部磁場的強(qiáng)度以及月表物質(zhì)中鐵磁性礦物的含量。除了月核發(fā)動機(jī)的存在（39億年前），撞擊過程已被證明是月殼中產(chǎn)生外部磁場的一個關(guān)鍵途徑(Crawford and Schultz, 1988)。然而，目前對于月表鐵磁性礦物的形成和分布仍不清楚，相對于地球物質(zhì)而言，月球內(nèi)生的火成巖物質(zhì)通常表現(xiàn)為較弱的磁學(xué)特性，因此很難將已知的月球內(nèi)生火成巖與月表磁異常聯(lián)系起來。
Wieczorek等人（2012年）通過對月球南極艾肯盆地的撞擊事件進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)來自大型撞擊的球粒隕石物質(zhì)（鐵鎳金屬）可以為月表提供高含量的鐵磁性礦物，這些鐵磁性礦物的加入可以用來解釋艾肯盆地邊緣觀察到的磁異?，F(xiàn)象（圖3）(Wieczorek et al., 2012)。此外，來自月球勘探者號的磁力計(jì)數(shù)據(jù)也表明月表磁異常的出現(xiàn)與月球撞擊盆地的形成密切相關(guān)。因此，與撞擊相關(guān)的物質(zhì)可能是月表磁異常的最合理載體(Halekas et al., 2001)。值得注意的是，大型撞擊事件涉及的極端高溫和高壓條件必然伴隨有強(qiáng)烈的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，然而，除了撞擊體直接加入的鐵磁性物質(zhì)（如鐵鎳金屬）外，在大撞擊過程中新形成的鐵磁性礦物還沒有被考慮過。通過對嫦娥五號月壤的研究結(jié)果表明，鐵硫化物在月球撞擊過程中會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)過程，其通過共析反應(yīng)形成的高鐵磁性礦物（亞微米級磁鐵礦和金屬鐵）可能是月表鐵磁性礦物的一個重要貢獻(xiàn)?？紤]到鐵硫化物是球粒隕石的重要組成礦物，這種反應(yīng)極有可能發(fā)生在月表的大型撞擊事件中，由于磁鐵礦和金屬鐵具有很高的磁化率，因此無論這些鐵磁性礦物是直接由撞擊體帶入還是通過鐵硫化物的反應(yīng)間接形成，撞擊過程都會大大降低月表磁異常對月壤厚度的要求。
圖3 南極艾肯盆地邊緣的磁異常分布特征（圖片修改自Wieczorek et al., 2012）
嫦娥五號著陸區(qū)表現(xiàn)出相對較弱的磁場強(qiáng)度，估計(jì)最大磁場強(qiáng)度僅為1.18 nT。盡管如此，本研究對于解釋月表磁異常成因仍具有以下兩點(diǎn)重要意義：（1）自Apollo時代以來，人們對于月球上的鐵磁性礦物的認(rèn)識以金屬鐵為主，我們在前人的研究基礎(chǔ)上提供了月表另一個重要的鐵磁性礦物-磁鐵礦；（2）前人的研究只建立了大型撞擊濺射物與月表磁異常之間相關(guān)性，然而并沒有關(guān)注撞擊過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，我們的研究有效的建立了鐵磁性礦物的形成與撞擊事件之間的關(guān)聯(lián)。
綜上，本研究首次證實(shí)了月壤中存在撞擊成因的亞微米級磁鐵礦。研究證據(jù)表明月球表面的硫化物在撞擊過程中發(fā)生復(fù)雜氣液反應(yīng)，進(jìn)而使FeO通過共析反應(yīng)生成亞微米級的磁鐵礦以及單質(zhì)金屬鐵。撞擊成因亞微米級磁鐵礦的發(fā)現(xiàn)與證實(shí)，為學(xué)術(shù)界關(guān)于月壤中可能廣泛存在原生磁鐵礦的猜測提供了直接證據(jù)，同時也為月球表面磁異常等重大科學(xué)問題的解釋提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論支撐。
上述研究成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊Nature Communications（《自然-通訊》）上。論文第一作者為中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所博士研究生郭壯（現(xiàn)已入職北京大學(xué)博雅博士后），通訊作者為中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所李陽研究員。該研究得到了國家航天局CE5C0400YJFM00505和CE5C0200YJFM00302月球樣品的支持以及中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB 41000000）、國家自然科學(xué)基金（41931077）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會（2018435）、民用航天技術(shù)預(yù)先研究（D020201）和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃（ZDBS-SSW-JSC007-10、QYZDY-SSW-DQC028）等的項(xiàng)目資助。
論文信息：Guo, Z., Li, C., Li, Y*. et al. Sub-microscopic magnetite and metallic iron particles formed by eutectic reaction in Chang’E-5 lunar soil. Nature Communications 13, 7177 (2022).
論文連接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35009-7
標(biāo)簽： 嫦娥五號
