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  • 科研進展

    物理所在嫦娥5號月球土壤樣品的表面微結構研究中取得進展

    來源:物理研究所發布時間:2022-07-11

      數十億年來,月球上的土壤受到微隕石轟擊、太陽風、宇宙射線中的帶電粒子輻射等太陽風化的作用,其表面微結構和化學組分與地球土壤有較大區別。前期研究表明,太空風化會使月球上的鐵橄欖石和其它礦物表面形成厚的非晶層,厚度為50-200納米,層內包裹著大量尺寸為2-10納米的金屬Fe顆粒,這種表面微結構對遙感測量和可見-近紅外光的吸收有較大影響。目前,關于金屬Fe的形成機理仍存在爭議,主要存在兩種觀點,即鐵橄欖石受微隕石等轟擊直接熱分解和帶電離子輔助下的分步還原。

      我國嫦娥5號采集的月壤樣品屬于最年輕的玄武巖(~20億年),并且取樣點的緯度最高(43.058°N),為研究月壤在太空風化作用下的物質和結構演化提供了新的機會。中科院物理研究所的郭建剛研究員、應天平特聘研究員、陳小龍研究員與國家納米科學中心的鄭強研究員、國家天文臺李春來研究員、廣州地化所的徐義剛院士等人組成了研究團隊,對月壤(CE5C0400)中主要礦物鐵橄欖石、輝石和長石進行了系統的表面微結構表征。在25個尺寸較?。▇1 μm)和外形規則的不同礦物樣品中,團隊僅在鐵橄欖石表面觀察到了非常薄的SiO2非晶層(厚度~10納米),其中包裹著大小為2-12納米的晶粒(圖1)。輝石和長石表面的化學組分與內部相同,表面不存在明顯的非晶層。該團隊通過透射電鏡高分辨原子像及對應的快速傅立葉變換(FFT)圖譜,得到了鐵橄欖石表面非晶層內部納米晶粒的面間距分別是2.45?,2.11?和1.49?,該數值與面心立方方鐵礦FeO的(1-11),(002)和(2-20)晶面間距完全一致,不同于體心立方金屬Fe的面間距。同時,與金屬Fe、FeCO3標準樣品和鐵橄欖石的電子能量損失譜中Fe的化學位移和吸收邊的比值進行比對,進一步確認該納米晶粒中的Fe為+2價,表明這些納米顆粒是方鐵礦。在鐵橄欖石邊緣,最外層區域I是SiO2非晶層,區域II是SiO2非晶和FeO共存,區域III是SiO2非晶和鐵橄欖石共存,這是首次在月球土壤中觀察到此種特殊的微結構(圖2)。本工作發現的FeO納米晶粒和分層的邊緣微結構表明所研究的鐵橄欖石可能處于熱分解的中間階段,支持了鐵橄欖石在太陽風化作用下發生分步還原的觀點。此外,化學元素和形貌分析發現輝石和長石的表面不包含非晶層和易揮發的外來元素(如硫、氯等),樣品內部也沒有出現太陽耀斑穿過的痕跡,表明所研究的樣品可能處于太陽風化的中早期階段。

      相關成果以 Surface microstructures of lunar soil returned by Chang'e-5 mission reveal an intermediate stage in space weathering process 在線發表于 Science Bulletin 2022,詳細內容參見鏈接 https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.06.019。探月與航天工程中心為該研究提供了月壤樣品(CE5C0400),該研究得到了中科院重點部署項目的支持(ZDBS-SSW-JSC007-2)。

    圖1. (a-c)鐵橄欖石的形貌,表面特征和FeO納米晶粒包裹物。(d-f)FeO納米晶粒的組分和尺寸。(g) 區域2的FFT圖譜表明存在FeO和鐵橄欖石。

    圖2. (a) 鐵橄欖石表面的微結構特征。(b) 區域I,II和III的透射電鏡高分辨原子像和FFT圖譜。


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