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陨石中纳米金属铁的新成因

发布时间:2021-08-24

本研究在灶神星陨石(NWA 11592)和普通球粒陨石(GRV 022115)中分别发现了Fe0的产出,并指示两种不同于前人的Fe0形成新机制。一方面,冲击引发的高温条件可以使得含铁矿物中的Fe2+发生歧化反应形成单质金属铁。另一方面,在强烈冲击的低氧逸度条件下,辉石也可以发生原位分解形成单质金属铁。 

铁是太阳系中含量第二高的金属元素,也是组成内太阳系类地行星、小行星等固态天体的主要元素之一。此外,铁元素是重要的变价元素,通过研究地外样品中铁的赋存状态以及价态,可以推测其所形成时所处的氧化还原环境,进而为内太阳系固态行星、小行星的形成、演化过程研究提供重要依据。

除地球和火星外,内太阳系其他固态小天体由于具有较小的体积,其表面很难形成或者保留致密的大气层,因此这些天体的表面物质会直接暴露于高真空的环境中,长期经受陨石、微陨石的撞击以及太阳风的辐射。这些天体所提供的高真空环境以及频繁的陨石撞击过程和太空风化改造过程,使得无论是星云冷凝还是(微)陨石撞击引发的高温过程形成的单质金属铁(Fe0)都可以在无大气行星体表面(月球,小行星等)得以保存,最终被我们在陨石以及地外返回样品中观察到。

前人对地外样品中金属铁的成因主要有以下几种解释:星云气体的直接冷凝,陨硫铁的脱硫作用,陨石撞击引起的橄榄石原位分解还原作用以及太空风化作用(微陨石轰击,太阳风辐射)引起的镁铁硅酸盐(橄榄石和辉石)的气化和溅射沉积。星云气体直接冷凝是形成球粒陨石以及脏橄榄石(Dusty Olivine)中金属铁的重要原因。陨硫铁脱硫作用主要发生于陨石冲击过程中,高温使得陨硫铁中的硫发生逃逸,进而形成金属铁。橄榄石的原位分解则是在冲击条件下,橄榄石可以发生分解形成单质金属铁。月壤样品的研究以及模拟实验都指示,在陨石撞击作用下,无大气星体表面物质在高温条件下被蒸发或者等离子体化,进而再沉积,形成纳米级单质金属铁附着于样品表面。此类太空风化成因的单质金属铁在月壤样品中被广泛观察到,并对反射光谱具有显著的改造效应。

在前人研究基础上,中国科学院地球化学研究所副研究员李阳研究团队开展了详细的陨石样品微区研究工作,分别在灶神星陨石(NWA 11592)和普通球粒陨石(GRV 022115)中发现并证实了单质金属铁新的成因机制。

NWA 11592(Eucrite)中的单质金属铁产出于熔池之中,通过透射电镜电子能量损失谱仪(EELS)确定了熔池中存在含Fe3+的富Al辉石矿物相,熔池中Fe3+以及单质金属铁(Fe0)的存在为该样品中铁元素歧化反应(3Fe2+ = 2Fe3+ + Fe0)的发生提供了重要证据。透射电镜观察到的纳米级铁铝尖晶石指示该熔池的形成温度高于1310 ℃,该温度条件表明熔池的形成并不是冲击作用这一单一因素产生,而更可能是在灶神星早期普遍的热变质作用基础上(~1000 ℃),同时经历较低程度的冲击作用(S4),使得母岩在热变质作用与冲击作用的综合作用下发生熔融,致使歧化反应发生并产生单质金属铁。这是首次在灶神星陨石中找到铁元素的歧化反应证据,同时也可能是地外天体表面物质中含铁矿物形成单质金属铁一个重要机制。

 

图1:NWA 11592中熔池的透射电镜分析结果。熔池中分布有单质金属铁(Fe0)以及纳米级铁铝尖晶石(Hc)颗粒。

图2:NWA 11592熔池中Al辉石(Al-rich Cpx)的电子能量损失谱分析结果,指示该矿物相中含有约30%的Fe3+

 

GRV 022115为L6型的普通球粒陨石,具有较高的冲击等级(S5)。该样品中发现的单质金属铁分布于冲击熔脉中辉石颗粒的边缘玻璃中。与单质金属铁伴生的二氧化硅以及气孔构造也在辉石玻璃中被确定,这些特征指示该样品中单质金属铁的产出来源于辉石的分解。依据熔脉中由冲击作用产生的典型高压矿物组合(林伍德石,镁方铁矿,镁铁榴石),得出辉石分解发生的温压条件为20-23GPa, >1800℃。同时在冲击后的快速淬火条件下,天然样品也很好的保留辉石的亚稳态相变产物(高压斜顽辉石;图3),这也为自然条件下辉石发生的复杂相变过程提供样品支撑。该研究结果首次提供了地外样品中辉石分解的直接证据,进一步证明辉石是除橄榄石之外的另一个可以形成纳米金属铁的重要镁铁硅酸盐矿物。

 

图3:普通球粒陨石GRV 022115中辉石分解产生的纳米金属铁(npFe0),二氧化硅(Silica)和气孔构造(Ves)。

 

陨石样品中新发现的纳米金属铁的歧化成因以及辉石分解成因机制,丰富了单质金属铁的形成机理,同时也对月球等无大气固态天体表面物质复杂改造过程及氧化还原条件转变具有指示意义。

上述研究成果发表于地球与行星科学领域期刊Geochimica et Cosmochimica Acta 和Journal of Geophysical Research – Planets上,论文第一作者是中国科学院地球化学研究所郭壮博士研究生,通讯作者是中科院地球化学研究所副研究员李阳。本研究受到中国科学院战略性先导科技专项培育项目(XDPB11),中国科学院B类战略性先导科技专项(XDB 41000000);国家自然科学基金委重点项目 (No. 41931077),面上项目(No. 41673071);中国科学院青年创新促进会(No. 2020395);国家国防科技工业局民用航天技术预先研究课题(D020201)等项目资助。

论文信息: Guo, Z., Li, Y., Liu, S., Xu, H., Xie, Z., Li, S., Li, X., Lin, Y., Coulson, I.M., Zhang, M. Discovery of nanophase iron particles and high pressure clinoenstatite in a heavily shocked ordinary chondrite: implications for the decomposition of pyroxene [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 272: 276-286. DOI:10.1016/j.gca.2019.10.036

Guo, Z., Li, Y., Chen, H., Zhang, M., Wu, Y., Hui, B., Liu, S., Coulson, I.M., Li, S., L, X., Liu, J., Ouyang, Z. Evidence for the disproportionation of iron in a Eucrite meteorite: Implications for impact processes on Vesta [J]. Journal of Geophysical Research – Planets, 2021, DOI: 10.1029/2020JE006816.

(月球中心 郭壮 李阳/供稿)