鐵元素是能夠記錄太陽系氧化還原狀態的關鍵元素之一。在阿波羅時代，科學家通過對返回的月球樣品研究發現，月球樣品中的鐵元素主要以還原性的Fe2+和Fe0兩種狀態存在，僅含有極少量氧化性的Fe3+(< 1 wt%)，因此推測認為無大氣的月球表面和其內部均呈一種極度還原的狀態。盡管如此，近期對阿波羅樣品的進一步分析發現了某些樣品中含有更高含量的Fe3+，比如苦橄質玻璃珠的Fe3+/∑Fe(Fe3+在總鐵含量中占的比例)可高達25 %。
自月球樣品中發現Fe3+以來，其賦存形式和成因就受到廣泛關注。傳統觀點認為月球Fe3+的形成主要有兩種途徑：一是月球巖漿通過脫除H2和CO等還原性氣體，使得月球巖漿氧化性提高，進而使Fe2+和Fe0被氧化成Fe3+；二是包括在月球表面本身存在的，以及返回樣品在轉移過程中發生的次生氧化作用。此外，近期科學家通過對糸川小行星返回的樣品研究認為，太陽風注入過程中伴隨H2O生成的歧化反應也能夠在無大氣天體表面產生Fe3+。由此可見，傳統認知將月表Fe3+主要歸因于外部因素對月球原生還原性物質的氧化。然而，作為一個典型的無大氣天體，月球表面無時無刻不遭受太陽風輻照和微隕石撞擊等太空風化作用；而前人大量的研究表明，太陽風輻照和微隕石撞擊等太空風化作用在月球表面主要表現為形成納米單質鐵的還原性作用。因此，Fe3+在極度還原的月球表面如何賦存、形成，及演化仍無定論。
近日，中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛院士和何宏平研究員共同領銜的月球科學研究團隊利用嫦娥五號樣品對這一問題開展了研究。研究團隊選擇了月壤中由微隕石撞擊作用形成而普遍存在的凝結玻璃為研究對象，發現嫦娥五號凝結玻璃中含有大量由歧化反應而產生的Fe3+（Fe3+/∑Fe >0.4）。這一發現革新了學界對于月球Fe3+賦存形態、含量及成因的認識。
研究團隊首先在嫦娥五號月壤樣品中挑選了~100 μm尺寸的凝結碎屑顆粒，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)對凝結顆粒表面進行了詳細觀察。在凝結玻璃表面觀察到了由微隕石撞擊作用產生的玻璃棒以及納米單質鐵球（圖1a）。通過聚焦離子束（FIB）對樣品進行加工，獲得透射電子顯微鏡（TEM）可觀測的薄片（圖1b）。研究團隊對凝結玻璃及其中賦存的納米單質鐵進行了形態、化學成分和結構分析（圖1c-f），發現納米單質鐵為通常太空風化產生的阿爾法鐵，平均尺寸為16.2 nm。
為表征嫦娥五號凝結玻璃中的三價鐵含量，研究團隊采用電子能量損失譜對樣品中鐵的價態進行了定量分析，結果表明樣品中Fe3+/∑Fe的平均值為0.41，遠高于以往研究獲得的值。研究團隊分析認為，如此高含量的Fe3+不可能由外部氧化產生，而是凝結玻璃形成過程中Fe2+發生歧化反應所產生（圖2）。這一歧化反應可發生在微隕石撞擊形成的高溫高壓階段，也可能發生在沖擊熔融冷卻階段。月表普遍存在的凝結玻璃中大量三價鐵的發現預示著月球表面存在著比人們以往認識更多的Fe3+，且Fe3+的含量還會隨著微隕石撞擊作用的持續進行而不斷累積。
該研究發現的高含量的三價鐵并不意味著月表環境是氧化的，因為本次研究發現產生三價鐵的歧化反應并不產生額外的氧，也不會消耗體系中的電子，僅僅將電子進行了重新分配。這一反應過程的發現對于理解無大氣天體表面環境鐵元素的價態演化有極為重要的意義。
該研究得到了中國科學院重點部署項目（ZDBS-SSW-JSC007-11）、中國科學院廣州地球化學研究所所長基金《嫦娥五號月球樣品集成研究》（2022SZJJZD-03）和中國科學院青年創新促進會（2021353）的聯合資助。研究成果于1月9日在線發表于《自然–天文學》（Nature Astronomy）。
論文信息：Haiyang Xian(鮮海洋), Jianxi Zhu(朱建喜), Yiping Yang(楊宜坪), Shan Li(李珊), Xiaoju Lin(林梟舉), Jiaxin Xi(席佳鑫), Jieqi Xing(邢介奇), Xiao Wu(吳逍), Hongmei Yang(楊紅梅), Qin Zhou(周秦), Akira Tsuchiyama, Hongping He(何宏平)*, Yi-Gang Xu(徐義剛)*, 2023. Ubiquitous and progressively increasing ferric iron content on the lunar surfaces revealed by the Chang’e-5 sample. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-022-01855-0.
圖1 嫦娥五號凝結玻璃中納米單質鐵的電子顯微特征
a, SEM圖；b, HAADF-STEM圖；c, 納米單質鐵的粒度統計結果；d, 納米單質鐵的HRTEM圖；e-f, 納米單質鐵的高倍HAADF-STEM圖和EDS元素面分布圖
圖2 嫦娥五號凝結玻璃中微隕石撞擊致納米零價鐵和三價鐵的成因示意圖
附件下載：