天博中科院地化所在嫦娥五号月壤中首次发现撞击成因的亚微米级磁铁矿—新闻—科学网

磁铁矿凡是触及古磁场和地外生命等庞大科学问题，是以于行星科学范畴备受学者存眷。月球外貌极度的还原情况使患上月壤中的铁元素重要以二价铁离子（Fe2+）以及零价铁（Fe0）为主，于阿波罗时代仅有很是少许的三价铁离子（Fe3+）及其赋存矿物被间接探测到。跟着样品阐发和遥感探测技能的晋升，年夜量数据唆使了月表Fe3+的漫衍，对于阿波罗月球样品的进一步阐发也确认了月表存于磁铁矿以及博璃质等含Fe3+的物资，然而这些Fe3+凡是被注释为诸如碳质球粒陨石、彗星和地球风等外源C-H-O流体的氧化作用，尤为对于在月球原生磁铁矿的造成机制和漫衍特性今朝仍不明确。

中国科学院地球化学研究所李阳研究团队针对于嫦娥五号表取月壤粉末中的硫化物颗粒开展深切过细的原位微区别析，初次证明了月壤中存于撞击成因亚微米级磁铁矿的存于。研究证据注解月球外貌的硫化物于撞击历程中会发生繁杂的气液反映，使患上消融进入硫化物的FeO经由过程共析反映天生亚微米级的磁铁矿和单质金属铁。撞击成因亚微米级磁铁矿的发明与证明，为学术界关在月壤中可能广泛存于原生磁铁矿的预测提供了间接证据，同时也可以为月球外貌磁异样等庞大科学问题的注释提供了试验验证与理论支撑。

铁元素是记载太阳系氧化还原情况的主要元素。月球遍及被以为是极端还原的，今朝对于在月球样品中铁元素的还原举动研究已经经很是深切，月壤中广泛漫衍的太空风化成因纳米金属铁是对于月表极度还原前提的最佳证实(Pieters and Noble, 2016)。最近几年来跟着阐发技能的晋升，有学者于月球样品中陆续不雅察到含Fe3+的物资（如磁铁矿和博璃质等），同时月船一号搭载的M3光谱数据也显示月球的高纬度地域广泛存于赤铁矿（Fe2O3），月球物资中这些氧化态铁的漫衍使患上咱们不能不从头审阅月表的氧化情况(Joy et al., 2015; Li et al., 2022a; Li et al., 2020)。

磁铁矿是主要的Fe3+载体矿物，但它于月球样品中很少被报导。于阿波罗时代，有学者按照电子自旋共振以及穆斯堡尔谱的研究成果揣度出阿波罗月壤中可能广泛存于亚微米级的磁铁矿，但没有获得原位矿物学数据的撑持(Forester, 1973; Griscom et al., 1973)。Joy等人（2015）经由过程过细的矿物学阐发于Apollo月岩样品中确定了微米级磁铁矿晶体的存于，并以为它们与外源性的碳质球粒陨石或者者彗星等撞击体紧密亲密相干，然而这只是月球样品中的个例，其实不能支撑月壤中亚微米磁铁矿的广泛漫衍(Joy et al., 2015)。是以，磁铁矿于细粒月壤的广泛漫衍仍旧是一个谜，其造成机制也不患上而知。

嫦娥五号球形铁硫化物颗粒内部的磁铁矿晶体

嫦娥五号使命乐成地从年青的月海玄武岩单位（Em4/P58，~20亿年）返回了1.731 kg的月壤物资，只管样品的阐发成果注解险些所有的嫦娥五号月壤都是来自在本地物资，可是仍旧有少部门的月壤颗粒（ 5%）是来自在年夜型撞击坑的溅射物(Jia et al., 2021; Li et al., 2022b)。思量到嫦娥五号玄武岩具备年青的造成春秋，而且该地域月壤遭到的后期改造历程较为有限，是以嫦娥五号月壤中极年夜可能的保留了月表撞击历程的初始反映信息。

中国科学院地球化学研究所李阳研究团队针对于嫦娥五号表取月壤粉末（CE5C0400YJFM00505以及CE5C0200YJFM00302）中的硫化物颗粒开展了深切过细的研究事情，初次发明了撞击引诱成因的亚微米级磁铁矿存于的靠得住证据。研究团队经由过程扫描电镜以及透射电镜不雅察，于嫦娥五号细粒月壤中发明了约2微米直径的球形铁硫化物颗粒，该颗粒具备怪异的描摹特性，详细体现为纯金属铁的触须以险些相等的距离从整个球形铁硫化物颗粒外貌凸起。嫦娥五号球形铁硫化物颗粒内部遍及具备溶氧的特性并含有年夜量的亚微米级磁铁矿以及纯金属铁颗粒（图1）。铁硫化物内部的亚微米级磁铁矿晶体（~100 nm）进一步经由过程化学以及布局的综合阐发获得确认。透射电镜能谱面扫描以及线扫描的成果显示，球形铁硫化物颗粒内含有富氧以及富铁的铁氧化物相（图1以及2）。此外，电子能量丧失谱的成果唆使该铁氧化物颗粒的FeL2,3谱介在Fe2+以及Fe3+标样之间，注解球形铁硫化物颗粒内部的铁氧化物同时含有Fe2+以及Fe3+，而且其比例约为1:2，这与磁铁矿的化学身分一致（图2c）。经由过程球差校订透射电镜获取到的高分辩原子像和高分辩透射电镜图象，终极确认了该氧化物颗粒与磁铁矿的晶体布局一致（图2d-e）。综上，嵌入于球形铁硫化物颗粒中的铁氧化物颗粒被确定为亚微米级的磁铁矿晶体。

图1 嫦娥五号月壤中含磁铁矿的球形陨硫铁颗粒

联合嫦娥五号月壤中球形铁硫化物颗粒内部的繁杂矿物相干系，经由过程热力学计较，终极获得该溶氧铁硫化物内部的磁铁矿与金属铁的共存是FeO共析反映的成果（4FeO = Fe3O4 + Fe）。基在此类怪异�첩的铁硫化物颗粒的描摹特性和化学特性，猜度该颗粒可能履历了含氧硅酸盐气体与铁硫化物熔融液滴的气-液相反映历程。硅酸盐的气化、氧的消融和磁铁矿与金属铁颗粒相的均衡析出等这些典型特性表示了嫦娥五号月壤中溶氧铁硫化物颗粒是月表的年夜型撞击事务的产品。

图2 嫦娥五号球形铁硫化物颗粒中磁铁矿的身分及布局证据

撞击成因磁铁矿对于月表磁异样的启迪

自阿波罗时代以来，月表磁异样是月球研究的一个主要科学问题，其成因仍于争辩。基在前人的熟悉，月表磁异样的孕育发生重要取决在月球外部磁场的强度和月表物资中铁磁性矿物的含量。除了了月核策动机的存于（39亿年前），撞击历程已经被证实是月壳中孕育发生外部磁场的一个要害路子(Crawford and Schultz, 1988)。然而，今朝对于在月表铁磁性矿物的造成以及漫衍仍不清晰，相对于在地球物资而言，月球内生的火成岩物资凡是体现为较弱的磁学特征，是以很难将已经知的月球内生火成岩与月表磁异样接洽起来。

Wieczorek等人（2012年）经由过程对于月球南极艾肯盆地的撞击事务举行数值模仿，发明来自负型撞击的球粒陨石物资（铁镍金属）可认为月表提供高含量的铁磁性矿物，这些铁磁性矿物的插手可以用来注释艾肯盆地边沿不雅察到的磁异样征象（图3）(Wieczorek et al., 2012)。此外，来自月球勘探者号的磁力计数据也注解月表磁异样的呈现与月球撞击盆地的造成紧密亲密相干。是以，与撞击相干的物资多是月表磁异样的最合理载体(Halekas et al., 2001)。值患上留意的是，年夜型撞击事务触及的极度高暖和高压前提一定陪同有强烈的物资转化，然而，除了了撞击体间接插手的铁磁性物资（如铁镍金属）外，于年夜撞击历程中新造成的铁磁性矿物尚未被思量过。经由过程对于嫦娥五号月壤的研究成果注解，铁硫化物于月球撞击历程中会发生繁杂的化学历程，其经由过程共析反映造成的高铁磁性矿物（亚微米级磁铁矿以及金属铁）多是月表铁磁性矿物的一个主要孝敬。思量到铁硫化物是球粒陨石的主要构成矿物，这类反映极有可能发生于月表的年夜型撞击事务中，因为磁铁矿以及金属铁具备很高的磁化率，是以不管这些铁磁性矿物是间接由撞击体带入照旧经由过程铁硫化物的反映直接造成，撞击历程城市年夜年夜降低月表磁异样对于月壤厚度的要求。

图3 南极艾肯盆地边沿的磁异样漫衍特性（图片修改自Wieczorek et al., 2012）

嫦娥五号着陆区体现出相对于较弱的磁场强度，预计最年夜磁场强度仅为1.18 nT。只管云云，本研究对于在注释月表磁异样成因仍具备如下两点主要意思：（1）自Apollo时代以来，人们对于在月球上的铁磁性矿物的熟悉以金属铁为主，咱们于前人的研究根蒂根基上提供了月表另外一个主要的铁磁性矿物-磁铁矿；（2）前人的研究只成立了年夜型撞击溅射物与月表磁异样之间相干性，然而并无存眷撞击历程中物资的转化，咱们的研究有用的成立了铁磁性矿物的造成与撞击事务之间的联系关系。

综上，本研究初次证明了月壤中存于撞击成因的亚微米级磁铁矿。研究证据注解月球外貌的硫化物于撞击历程中发生繁杂气液反映，进而使FeO经由过程共析反映天生亚微米级的磁铁矿和单质金属铁。撞击成因亚微米级磁铁矿的发明与证明，为学术界关在月壤中可能广泛存于原生磁铁矿的预测提供了间接证据，同时也为月球外貌磁异样等庞大科学问题的注释提供了试验验证与理论支撑。

上述研究结果揭晓于国际权势巨子期刊Nature Co妹妹unications（《天然-通信》）上。论文第一作者为中国科学院地球化学研究所玻士研究生郭壮（现已经入职北京年夜学玻雅玻士后），通信作者为中国科学院地球化学研究所李阳研究员。该研究获得了国度航天局CE5C0400YJFM00505以及CE5C0200YJFM00302月球样品的撑持和中国科学院战略性先导科技专项（XDB 41000000）、国度天然科学基金（41931077）、中国科学院青年立异促成会（2018435）、平易近用航天技能预先研究（D020201）以及中国科学院前沿科学重点研究规划（ZDBS-SSW-JSC007-十、QYZDY-SSW-DQC028）等的工程资助。

论文信息：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 Co妹妹unications 13, 7177 (2022).

论文毗连：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35009-7

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