基於原位微區電子分析結果，中國科學院地球化學研究所李陽研究團隊首次在嫦娥五號鏟取月壤中找到了鐵橄欖石分解成因納米金屬鐵（npFe ⁰）的確切證據。與Apollo月壤中納米金屬鐵相比，嫦娥五號月壤中鐵橄欖石分解成因的納米金屬鐵在均值粒徑、賦存狀態、形成機制以及光譜改造效應等方面均存在較大差異。

該研究結果表明，月壤形成過程中的衝擊破碎作用以及月壤演化過程中微隕石撞擊的局部熱作用是嫦娥五號月壤中鐵橄欖石分解形成納米金屬鐵的主要原因，同時也可能是全月表月壤形成與演化初期階段納米金屬鐵的重要形成機制之一。

纳米级单质金属铁（Nanophase iron particles, npFe⁰）是太空风化作用的特征产物，广泛存在于月壤矿物颗粒的表层非晶质环带以及胶结质玻璃中，其主要研究意义在于：1. 纳米金属铁能够显著改变月壤的反射光谱特征，使其反射率降低、特征吸收峰减弱以及连续统斜率红移，因此对月球光谱遥感探测数据的解译具有重要影响；2. 纳米金属铁的均值粒径、赋存状态以及形成机制与月壤的形成与演化过程密切相关，因此通过研究纳米金属铁可以获取大量月壤形成演化以及月表空间环境演变历史的信息。纳米金属铁最先被发现于Apollo月壤之中，其成因主要被归结于陨石、微陨石轰击引起的月表物质及撞击体的汽化沉积作用[1-3]，并得到了大量月壤、月球陨石以及地面模拟实验结果的证实。后续虽有其他成因机制被提出，例如太阳风H注入还原成因，但尚未有直接可靠的样品分析或模拟实验结果的证实。然而，Apollo六次登月工程采集的月壤样品均具有较古老的地质年龄和较长的空间暴露历史，证明其经受了长期频繁的太空风化作用改造，这使得Apollo月壤中纳米金属铁具有较为单一的蒸汽沉积成因特征的同时，可能也掩盖了月壤形成与演化初期阶段不同成因单质金属铁的相关信息。

2020年12月17日，中國嫦娥五號探月工程成功地採集了位於風暴洋北部（43.06°N，51.92°W）的月球樣品並返回地球。同位素年代學的分析結果已經證明了嫦娥五號樣品具有當前已知最年輕的玄武岩年齡（~ 20億年）[4]，結合前期研究結果可知，嫦娥五號採樣區表面月壤的形成年齡以及空間暴露歷史遠小於Apollo月壤[5]。因此，嫦娥五號樣品中可能保留了月壤形成與演化初期階段單質金屬鐵形成機制的相關信息。在以上思路的指引下，同時結合前期隕石學研究結果[6-7]，中國科學院地球化學研究所李陽研究團隊重點開展嫦娥五號鏟取月壤粉末樣品中富鐵橄欖石原位微區電子學分析。實驗結果表明嫦娥五號月壤樣品中鐵橄欖石顆粒的邊緣普遍具有含氣孔納米金屬鐵與無定形富矽組分以及富鎂層共存的特徵（圖1），通過熱力學計算以及電子損失能量譜（EELS）分析，納米金屬鐵內部的納米級囊泡可能是由O2和SiO氣體形成（圖2）。基於上述分析結果，我們確定了月壤中鐵橄欖石分解形成納米金屬鐵的形成機制以及相關產物。鐵橄欖石表層熔融層以及蒸發沉積層的缺失指示了分解反應在亞固相的條件下發生，該反應發生的熱源可能來自於礦物破碎過程中的摩擦作用或者低速的微隕石轟擊產生的局部熱效應。另一方面，由鐵橄欖石分解在月壤顆粒表面產生的納米金屬鐵通常具有中等的粒徑範圍（10-35 nm），基於前人的研究，該粒徑的納米金屬鐵對光譜的改造效應不同於蒸發沉積作用形成的極細粒納米金屬鐵（~3 nm），因此月球表面由鎂鐵矽酸鹽分解產生的納米金屬對月壤光譜改造的貢獻需要進一步考慮。

圖1. 嫦娥五號月壤鐵橄欖石顆粒最表層環帶的成分特徵，主要由含氣孔納米金屬鐵（v-npFe ⁰），富鎂層（Mg-layer）以及富矽組分（Si）組成。

本研究結果證實了月壤中單質金屬鐵新的成因機制，為嫦娥五號著陸區月壤形成與演化過程的研究提供了參考依據，同時也為後續月球、小行星等返回樣品分析提供了新的思路。審稿人對此工作均作出正面評價，認為該研究結果是區別於Apollo樣品的一類典型微觀結構，並且對於解釋太陽係無大氣行星體表面性質具有重要意義（Reviewer #1: This paper describes very interesting space weathering features in the rim of Fe-rich olivine returned Chang’E-5, and space weathering in such high-Fe silicates has not yet been reported on in lunar samples； Reviewer #2: This manuscript well presents important findings to interpret the Surface properties of airless bodies in the Solar System）。

圖2. 含氣孔單質金屬鐵的電子能量損失譜（EELS）線掃描和透射電鏡能譜儀（EDS）面掃描結果。

近期該項研究成果以“Nanophase Iron Particles Derived From Fayalitic Olivine Decomposition in Chang’E-5 Lunar Soil: Implications for Thermal Effects During Impacts” 為題發表在Nature Index期刊《Geophysical Research Letters》上，論文第一作者是中國科學院地球化學研究所博士研究生郭壯，通訊作者是中國科學院地球化學研究所李陽副研究員。該成果得到了中國國家航天局嫦娥五號月壤樣品（CE5C0400YJFM00505）的支持以及中科院類地行星先導專項（XDB41000000）、國家自然科學基金委重點基金（41931077）、國防科工局民用航天項目（D020201）、中科院青年創新促進會（2020395）以及中科院重點部署、前沿重點（ZDBS-SSW-JSC007-10，QYZDY-SSW-DQC02）等項目的資助。

參考文獻：

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2) Keller, LP 和 McKay, DS (1997)。月球土壤顆粒邊緣的性質和起源。Geochimica et Cosmochimica Acta, 61, 2331–2341。https://doi.org/10.1016/s0016-7037(97)00085-9

3) Anand, M., Taylor, LA, Nazarov, MA 等人，(2004)。無氣行星體上的空間風化：來自月球礦物磷灰石的線索。美國國家科學院院刊，101, 6847–6851。https://doi.org/10.1073/pnas.0401565101

4) Li Q.,​​ Zhou Q., Liu Y., et al., (2021) 來自嫦娥五號玄武岩的月球上20億年前的火山活動。自然，600，54-58。https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2

5) 錢，Y.，Xiao，L.，Head，JW，等，（2021）。哥白尼時代（<200 Ma）撞擊嫦娥五號著陸點的噴射物：來自隕石坑形態、形態測量和退化模型的統計證據。地球物理研究快報，48，e2021GL095341。https://doi.org/10.1029/2021GL095341

6）郭，Z.，李，Y.，陳，HY，等。（2021 年）。Eucrite 隕石中鐵歧化的證據：對灶神星撞擊過程的影響。地球物理研究雜誌：行星，126，e2020JE006816。https://doi.org/10.1029/2020JE006816

7）郭，Z.，李，Y.，劉，S.，等人。（2020 年）。在嚴重衝擊的普通球粒隕石中發現納米相鐵顆粒和高壓斜輝石：對輝石分解的影響。Geochimica et Cosmochimica Acta, 272, 276–286。https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.036

來源：中科院地球化學研究所