普通球粒陨石中纳米级单质金属铁的辉石分解新成因

李阳，中国科学院青年创新促进会成员（2020395）

铁是组成内太阳系行星、卫星、小行星等固态天体的主要元素，其价态包括 Fe⁰，Fe²⁺以及Fe³⁺。类地行星中的大部分铁元素是以Fe²⁺形式赋存于橄榄石、辉石等常见造岩矿物中。由于Fe²⁺在近红外波段的典型吸收特征，使其可以通过反射光谱遥感进行探测并以此推断行星体表层的矿物种类和含量。然而，返回的Apollo月壤以及Itokawa小行星表层样品的研究结果表明，成熟（长期暴露于行星体表面经受太空风化改造）的月壤及小行星表层土壤中存在大量太空风化成因的纳米级单质金属铁颗粒（np-Fe⁰，Nanophase Iron Particles）（图1、3） [Keller and Mckay 1997；Noguchi et al., 2011]。这些纳米级单质金属铁颗粒的存在显著改变了月壤等的反射光谱特征（图2-3），给普遍发育有风化层的月球等无大气行星体的光谱探测及数据解译造成了显著干扰[Sasaki et al., 2001; Pieters and Noble 2016]。

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]

太阳系中存在数以万计的S型小行星（普通球粒陨石的母体），与其对应的新鲜普通球粒陨石样品相比，其反射光谱具有与月球相似的太空风化特征（图3c）。小行星形成于太阳系早期，在其形成及演化过程中同样经受过强烈撞击作用的改造，并在普通球粒陨石中保存了大量的冲击熔融脉以及特征高压矿物，因此能否在其中找到单质金属铁成因的信息？

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]

以这一思路为导向，中科院地化所月球与行星科学研究中心博士研究生郭壮与其导师李阳副研究员，通过与美国威斯康辛大学麦迪逊徐慧芳教授、南京大学谢志东教授等专家合作，在一块采自南极格罗夫山地区的普通球粒陨石（GRV 022115，岩石类型H5，冲击程度S6）的冲击熔融脉中发现了辉石分解成因的纳米级单质金属铁（图4）。研究结果表明:在强烈冲击的低氧逸度高温条件下，辉石可以发生分解并产生纳米单质金属铁，二氧化硅以及气孔构造（图5）。依据该陨石中冲击产生的高压矿物组合（林伍德石，镁方铁矿，镁铁榴石）得出分解发生的条件为20-23GPa, ＞1800℃。同时在冲击后的快速淬火条件下，该样品很好的保留辉石的亚稳态相变产生的高压斜顽辉石（图6），为自然条件下辉石发生的复杂相变过程提供了样品支撑。

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）

普通球粒陨石GRV 022115中冲击还原成因纳米级单质金属铁及其相关产物的发现，证明了辉石分解这一新的单质金属铁成因机制。相关研究结果不仅深化了我们对普通球粒陨石的母体S型小行星表面太空风化作用的认识，还可扩展应用于其它相似条件的无大气行星体的研究之中。

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，通讯作者为中科院青促会成员李阳副研究员。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.

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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.

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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.

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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.