席佳鑫、鮮海洋、朱建喜等- JGR: Planets:嫦娥五號月壤研究揭示月球表面鐵價態(tài)演化的溫度調(diào)控機制
?月球是典型的無大氣天體,由于持續(xù)暴露于富含還原性氫的太陽風(fēng)中,因此其表面長期被認為是強還原性環(huán)境。早期對月壤的觀測數(shù)據(jù)也顯示,其所含的鐵元素主要以單質(zhì)或Fe2+(即隕硫鐵)形式賦存,幾乎沒有氧化態(tài)鐵(Fe3+)出現(xiàn)。然而,近年的遙感探測與返回樣品的實驗室分析,都逐漸出現(xiàn)了諸如赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)及含F(xiàn)e3+月壤玻璃等氧化產(chǎn)物的報道。值得注意的是,不同研究中所報道的Fe3+的賦存形態(tài)各不相同,含量更是千差萬別。因此,月表是否真實存在Fe3+、(若存在)其含量與賦存形式如何,以及為何不同研究對月壤鐵價態(tài)分布的結(jié)果存在明顯分歧,至今仍是懸而未決的問題。
?針對這些“未解之謎”,中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所朱建喜研究員團隊和南方科技大學(xué)公共分析測試中心何東升副研究員合作,對嫦娥五號返回的月壤樣品進行了深入細致的研究,使用原位加熱透射電鏡模擬了月表的瞬時熱事件。在加熱過程中利用能量色散X射線譜(EDS)和電子能量損失譜(EELS)測定了升溫過程中鐵在納米尺度上的含量與價態(tài)變化,直觀揭示了溫度驅(qū)動的鐵元素含量及價態(tài)在月壤兩類主要含鐵物相(即玻璃和單斜輝石)之間發(fā)生的協(xié)同演化。
?研究團隊挑選了月壤中常見的單斜輝石-玻璃集合體,通過聚焦離子束(FIB)切片,利用高分辨率透射電鏡所配備的原位加熱樣品桿,對樣品薄片進行了從室溫(23°C)至1000°C的實時觀測。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度升至600°C時,玻璃中開始析出納米金屬鐵(npFe0)(圖1);隨著溫度繼續(xù)升高至700-900°C,單斜輝石中的Fe3+/∑Fe比例從30%急劇增至近60%,而相鄰玻璃中的Fe3+卻從23%驟降至不足4%(圖2)。這表明,在熱驅(qū)動下,玻璃中的Fe3+部分轉(zhuǎn)化為零價鐵,另一部分可能遷移并進入了單斜輝石的晶體結(jié)構(gòu)中。
?基于觀測結(jié)果,研究團隊提出了撞擊熱效應(yīng)調(diào)控月表氧化還原狀態(tài)的新機制:微隕石撞擊首先使Fe2+通過歧化反應(yīng)產(chǎn)生Fe3+(和Fe0),隨后溫度升高促使Fe3+從玻璃向單斜輝石轉(zhuǎn)移,伴隨納米金屬鐵的持續(xù)析出。這一過程表明了月壤中鐵的含量和價態(tài)隨局部溫度的變化在不停地發(fā)生動態(tài)調(diào)整,為現(xiàn)有報道中月壤三價鐵含量的巨大差異提供了一個可能的解釋。實驗結(jié)果也證實,高溫下的單斜輝石或可成為Fe3+的重要載體。月球表面幾乎每時每刻都在遭受微隕石轟擊,該機制可能在月球風(fēng)化層中廣泛存在,持續(xù)重塑月表的礦物組成和元素分布。該發(fā)現(xiàn)為理解空間風(fēng)化過程中的鐵循環(huán)提供了新的視角,對構(gòu)建無大氣天體表面物質(zhì)演化模型具有重要參考價值。相關(guān)成果近日發(fā)表于《地球物理研究-行星》(Journal of Geophysical Research: Planets)。研究獲得了中國科學(xué)院院長基金(QYJ‐2025‐0102)、中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所所長基金(2022SZJJZD‐03)和廣東省科技計劃(2023B1212060048)等多個項目的支持。
?相關(guān)論文信息:Xi, J.-X. (席佳鑫), Li, S. (李珊), Xian, H.-Y. (鮮海洋)*, Yang, Y.-P. (楊宜坪), He, D.-S. (何東升), Zhu, J.-X. (朱建喜), Lin, X.-J. (林梟舉), Yang, H.-M. (楊紅梅), He, H.-P. (何宏平), 2026. Temperature‐Dependent Evolution of Iron Content and Valence Between Clinopyroxene and Glass on the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 131(2). https://doi.org/10.1029/2025JE009174.
圖1. 加熱過程中樣品的形貌變化:(a) 600°C、(b) 700°C、(c) 800°C、(d) 900°C、(e) 1000°C,以及(f) 1100°C。溫度超過600°C后,玻璃中開始出現(xiàn)納米金屬鐵(npFe?)

圖2. 樣品中單斜輝石(Cpx)與玻璃中鐵含量及Fe3+含量隨溫度的演化
(a) 單斜輝石的鐵含量(藍色)及Fe3+/∑Fe比值(橙色)隨溫度的變化;(b) 玻璃的鐵含量(藍色)及Fe3+/∑Fe比值(橙色)隨溫度的變化

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