地化所在嫦娥五号样品中首次发现二氧化硅的高压相赛石英和斯石英

地球化学研究所 2022-06-20

  撞击作用是月球表面物质混合的重要地质过程,是控制月壤形成和演化的重要因素。高压矿物作为撞击事件的重要记录者,对限定岩石受冲击的温压条件及反演撞击坑的大小有重要意义。但是,无论月球返回样品还是月球陨石,极少发现高压矿物相,限制了通过月球样品反演月表的撞击过程的研究。

  黄金城xhjc1122比较行星学卓越创新中心成员、黄金城xhjc1122地球化学研究所杜蔚团队在嫦娥五号月壤样品中发现了共生的二氧化硅的高压相——赛石英和斯石英。通过详细研究赛石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃的形态特征及分布规律,推断赛石英和斯石英形成机制为固固相转变;受撞击过程的动力学控制,赛石英作为亚稳相在较低压条件下出现,随温度的升高部分赛石英转变为斯石英,因此,该二氧化硅碎屑记录了一次月表撞击事件的升压和紧随其后的升温和降压过程。通过其形成的温压条件结合撞击条件模拟计算,推测该二氧化硅碎屑很有可能来自嫦娥五号采样区南面的Aristarchus撞击坑。本研究是首次在月球返回样品中确认发现赛石英,为前人通过遥感数据分析提出的嫦娥五号采样区存在远处撞击坑溅射物的观点提供了重要证据。

  月球表面遍布形态多样和大小不一的撞击坑,表明其在演化过程中遭受了频繁的撞击(图1)。地球和月球所处的空间位置相近,研究月球的撞击历史不仅是月球科学的重要课题,也是窥探地球撞击历史的重要窗口。自然界中的高压矿物主要形成于行星深部或宇宙天体撞击的高温高压环境,因此,研究高压矿物的成分、结构及其形成过程对认识行星内部物质组成和撞击过程有重要的科学意义。

图1. (a) 嫦娥五号着陆点、Mairan G、Aristarchus、Harpalus和Copernicus撞击坑位置;(b) 撞击坑形成示意图

  尽管月球陨石和月球返回样品保存了月表物质遭受撞击的记录,但是月球样品中发现的高压矿物较少。迄今为止,在月球陨石中只观察到橄榄石的高压相(林伍德石和瓦兹利石)、二氧化硅的高压相(柯石英、斯石英和赛石英)、锆石的高压相(雷锆石)、钙硬玉以及一种新的含钙铝的高压矿物Donwilhelmsite(CaAl4Si2O11)。另一方面,尽管美国和前苏联返回了数量较多的月球样品且已进行了长达五十年的研究,其中却极少见关于高压矿物的报道,目前仅在一块阿波罗角砾岩(15299)中发现过斯石英和疑似赛石英的二氧化硅相(Kaneko et al., 2015)。

  赛石英(α-PbO2结构)和斯石英(金红石型结构)作为两个重要的二氧化硅超高压相,在固体化学、地球物理以及行星科学等领域都有重要的研究价值。斯石英在受冲击陨石(普通球粒陨石、火星陨石、月球陨石、灶神星陨石等)中较为常见,其形成机理相对清晰;而赛石英仅在几块火星陨石和一块月球陨石中发现,其形成机制未得到充分的认识。此外,高温高压实验和理论计算显示,赛石英的稳定压力较高(>100 GPa),因此常被当成超高压的指示矿物。然而,自然界中能产生如此高冲击压力的撞击事件极为罕见。特别是考虑到赛石英的热稳定性较差,而高冲击压力往往伴随较高的温度,因此,赛石英的出现能否指示超大撞击事件有待商榷,陨石中斯石英和赛石英的共存机理也一直悬而未知。

  相比于月球陨石来源的不确定性,月球返回样品具有明确的月面坐标等信息,因此在反演月表撞击过程中具有不可替代的优势。嫦娥五号返回的月壤样品为反演月表的撞击过程的研究提供了重要的样品。初步研究表明,嫦娥五号样品主要由玄武岩组成并含有一定量的冲击熔融角砾,后者是月表经历多次撞击的物证,可能包含来自较远撞击坑的溅射物(Qian et al., 2021)。这些溅射物可能具有不同于嫦娥五号采样区域岩石的特征(如岩性、年龄等),对丰富月球的物质组成和地质过程的认识有重要作用,而寻找其中的高压矿物能为溅射物溯源提供一定的线索。遥感探测研究能在大尺度上提供嫦娥五号着陆区撞击溅射物的分布和来源等信息,而对返回样品进行细致的研究能为这些信息提供实证。

图2. 嫦娥五号月壤样品中含赛石英(Sft)和斯石英(Sti)的二氧化硅碎屑(背散射电子图像);α-Crs-like phase:似α-方石英的二氧化硅相Pl:长石;Px:辉石

 

图3. 赛石英的透射电子显微镜的明场像(a、c和e)和选区电子衍射花样(b、d和f)

  黄金城xhjc1122地球化学研究所杜蔚研究员团队,在一块嫦娥五号月壤粉末光片(编号CE5C0800YJFM00101GP)中发现了二氧化硅的两种高压相——赛石英和斯石英,这是科学家们首次在地外返回样品中发现赛石英。赛石英和斯石英出现在一块二氧化硅碎屑中(图2),与之共存的还有似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃。其中,赛石英和斯石英(图2和图3)均被不定形态的二氧化硅叶片有规律地切割,形成不同形式的格子结构(赛石英为近直角四边形;斯石英为近六边形),指示了它们的形成机制为固态相转变。透射电镜显微结构分析结果指示,赛石英和似α-方石英的二氧化硅相之间存在一定的结晶学取向关系,推测α-方石英为二者固态相转变前的母体矿物,斯石英则可能是由赛石英转变而来。此外,根据赛石英和斯石英的TTT曲线(图4),结合赛石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相和二氧化硅玻璃的分布比例,可以估算α-方石英转变为赛石英,赛石英转变为斯石英的转化率分别为~10–50%和20%。

图4. 赛石英和斯石英的时间-温度-转变TTT(Time-Temperature-Transformation)曲线,修改自Kubo et al. (2015)

  赛石英和斯石英稳定共存的温压区间为~50–90 GPa和~500–2500 K,但是赛石英易受到冲击热效应破坏(>1100 K),因此不太可能形成于较大冲击压力域。参考有赛石英的月球陨石和火星陨石经历的冲击压力条件,形成本样品中赛石英和斯石英的冲击压力应不超过40 GPa。另外,根据Kubo等(2015)的高温高压实验结果,赛石英可在低至11 GPa的条件下由α-方石英的中间相方石英X-I转变形成,且在温度升至900 K左右时,赛石英可继续转变为斯石英。因此,赛石英和斯石英共存的压力下限约为11 GPa。

  利用限定的冲击压力范围(11–40 GPa),估算形成赛石英和斯石英的撞击坑的直径为~3–32 km。考虑到撞击坑计算中参数选择的不确定性,包括撞击角度和撞击坑内存在的压力梯度等,这个范围值应为撞击坑直径的下限。结合前人遥感观测及对嫦娥五号着陆点物源分析结果,Mairan G(直径~6 km,年龄480±50 Ma)、Aristarchus(~40 km,280 Ma)、Harpalus(~40 km,490±60 Ma)和Copernicus(~94 km,~796 Ma)撞击坑均可能是赛石英和斯石英的来源坑。但考虑到赛石英和斯石英具有较低的热稳定性,它们的源坑形成越年轻,赛石英和斯石英受到后期热扰动的概率越小,其保存可能性越高。因此,在此嫦娥五号样品中发现的赛石英和斯石英最有可能来自于Aristarchus撞击坑。

  黄金城xhjc1122地球化学研究所庞润连博士和杨晶助理研究员为本文共同第一作者,杜蔚研究员是本文的通讯作者,合作者包括南京大学地球科学与工程学院张爱铖教授和黄金城xhjc1122地球化学研究所的刘世荣研究员和李瑞工程师。感谢国家航天局提供嫦娥五号样品,该工作得到了国家自然科学基金(41603067、41773052、41973058和42003054)、中科院类地行星先导专项(XDB 41000000)、民用航天预先研究项目(D020201)、黄金城xhjc1122重点部署项目(ZDBS-SSW-JSC007-10)以及中国博士后科学基金(2020M680155)共同资助。

 

  论文信息:Pang, R., Yang, J., Du, W., Zhang, A., Liu, S., & Li, R. (2022) New Occurrence of Seifertite and Stishovite in Chang’E-5 Regolith. Geophysical Research Letters, 49, https://doi.org/10.1029/2022GL098722.

  原文链接:

 

(庞润连 杨晶 杜蔚/供稿)

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