嫦娥五号月壤中首次发现歧化反应成因的单质金属铁

图为分析研究过程。　中国科学院地球化学研究所供图

中新网贵阳9月3日电 （记者 蒲文思）中国科学院地球化学研究所2日晚对外公布，该所通过与昆明理工大学的联合研究团队对嫦娥五号表取月壤粉末中的铁橄榄石颗粒开展深入与细致的分析工作，首次在月壤中证明了歧化反应成因纳米级单质金属铁的存在。歧化反应成因纳米级单质金属铁的发现与证实，革新了数十年来学术界对月壤中单质金属铁形成机制的既有认知。这一成果9月1日在国际学术期刊《Nature Astronomy》上发表。

图为分析研究过程。　中国科学院地球化学研究所供图

中国科学院地球化学研究所研究团队近年来对纳米级单质金属铁的形成机制开展了持续性的研究工作，先后通过地面模拟实验以及陨石研究等技术手段，分别验证和证实了单质金属铁的汽化沉积、辉石原位分解以及歧化反应等多种成因机制。

据介绍，此前Apollo等月壤样品的研究结果认为，月壤中的纳米级单质金属铁（nanophase iron particles， np-Fe0）主要形成于陨石、微陨石轰击引起的汽化沉积作用（vapor deposition）或者太阳风主要组分氢离子注入引起的还原作用。前者得到了大量月壤样品分析以及模拟实验结果的验证从而被学术界广泛认同，而后者迄今为止尚缺少充足的直接证据并缺少机理解释。

图为分析研究过程。　中国科学院地球化学研究所供图

嫦娥五号月壤是44年以来人类再一次获得来自月球的返回样品，并与Apollo等月壤存在采样区位置、矿物组成以及演化历史等方面的差异，因此有可能为研究纳米级单质金属铁的成因机制提供新的证据。铁橄榄石是嫦娥五号月壤的主要含铁矿物之一，同时也少见于Apollo等月壤之中，因此被选择为重点研究对象。

研究团队首先在部分铁橄榄石颗粒表面非晶层中发现了原位热分解成因的单质金属铁，为嫦娥五号月壤中存在新的成因机制的纳米金属铁提供了直接证据，相关研究结果已于2022年2月发表于《地球物理研究通讯》（Geophysical Research Letters）期刊上。随着工作的持续深入，研究团队在一颗铁橄榄石颗粒的表面发现分布有亚微米级尺度的微型撞击坑，同时表面熔融溅射物较少，保存了较好的撞击改造的特征。

研究团队通过综合月表极端环境、撞击体残留物以及撞击坑底部熔融层中的特点判断铁元素的反应过程为：来自于斜长岩的撞击溅射物在撞击铁橄榄石的过程中，形成了多个二次微撞击坑，撞击过程的高温与高压引发了铁橄榄石发生熔融，同时其中的二价铁离子发生歧化反应形成单质铁与三价铁离子，其中单质铁则形核为纳米相铁。

同时，此次理论计算的结果表明该二次撞击坑的形成速度低于3.0km/s，由于低速撞击作用广泛存在于太阳系之中，因此这对于研究月球特别是两极永久阴影区、小行星以及外太阳系固态天体表壤中单质金属铁的形成机制具有广泛的参考与借鉴意义。（完）