太空風(fēng)化研究聚焦于分析微隕石撞擊、宇宙輻射、太陽(yáng)風(fēng)粒子轟擊與天體表面物質(zhì)的相互作用，揭示這些過程和機(jī)理對(duì)于理解月球及其他無大氣天體的外動(dòng)力演化至關(guān)重要。鈦鐵礦是月球玄武巖的主要含鈦礦物，是月球上原位制備鐵、鈦金屬和氧氣的理想材料，也是最富氫和氦-3的礦物。然而，目前對(duì)月球鈦鐵礦的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及太空風(fēng)化響應(yīng)機(jī)制并不清楚。近期，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的李金華研究員團(tuán)隊(duì)與張志剛研究員團(tuán)隊(duì)合作，綜合先進(jìn)的電子顯微學(xué)和熱力學(xué)計(jì)算等手段，以嫦娥五號(hào)返回月壤樣品為對(duì)象，從微納尺度到原子水平上深入解析了太陽(yáng)風(fēng)輻射和微隕石撞擊兩種不同太空風(fēng)化過程對(duì)鈦鐵礦精細(xì)結(jié)構(gòu)的改造作用，為理解太空風(fēng)化作用過程及其礦物響應(yīng)機(jī)制提供了新認(rèn)識(shí)。
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（1）鈦鐵礦顆粒挑選
本研究首先利用單顆粒顯微操作技術(shù)，將嫦娥五號(hào)月球樣品制備成單顆粒陣列。接著，使用μXRF技術(shù)對(duì)樣品陣列進(jìn)行了無損、無污染的快速掃描分析，獲取了所有顆粒的化學(xué)元素組成及其分布圖像（圖1）。通過半定量譜學(xué)分析，研究團(tuán)隊(duì)挑選出了兩個(gè)鈦鐵礦顆粒（P18和P19），為后續(xù)的詳細(xì)分析提供了樣本基礎(chǔ)。
圖1 利用μXRF挑選鈦鐵礦顆粒。
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（2）結(jié)構(gòu)和成分分析
為進(jìn)一步展開分析，鈦鐵礦顆粒P18和P19經(jīng)過轉(zhuǎn)移、包埋和拋光處理后，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）、聚焦離子束（FIB）切割技術(shù)和透射電子顯微鏡（TEM）觀察，揭示了兩種顆粒在結(jié)構(gòu)和成分上的顯著差異。P18顆粒主要經(jīng)歷了微隕石撞擊，而P19顆粒則主要受到了太陽(yáng)風(fēng)輻射的作用。
受沖擊作用的鈦鐵礦顆粒P18顯示出從表面到內(nèi)部的以下特征：富含Si、Ca、Al、Mg、Ti和Fe的撞擊玻璃、由沖擊變形引起的鈦鐵礦孿晶、含Si和Ca的脈絡(luò)狀微結(jié)構(gòu)，以及帶有裂縫的鈦鐵礦基體（圖2）。這些特征表明該顆粒經(jīng)歷了熔體沖擊作用，且熔體可能來源于微隕石撞擊。盡管如此，在鈦鐵礦與沖擊熔體接觸的邊緣未觀察到新物相的形成，這可能是由于沖擊力較小，未能促使鈦鐵礦發(fā)生物相轉(zhuǎn)變。
圖2 遭受過熔體沖擊作用的鈦鐵礦顆粒（P18）的顯微結(jié)構(gòu)。
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相比之下，受到太陽(yáng)風(fēng)輻射作用的鈦鐵礦顆粒P19則呈現(xiàn)出不同的微結(jié)構(gòu)特征：表面富含Si的非晶化沉積層、富含單質(zhì)鐵和鈦氧化物的層、定向排列的缺陷（氦泡），以及仍保持良好結(jié)晶的鈦鐵礦基體（圖3）。值得注意的是，本研究利用集成微分相襯掃描透射電子顯微鏡技術(shù)（iDPC-STEM），從原子尺度揭示了太陽(yáng)風(fēng)粒子注入導(dǎo)致的定向缺陷的化學(xué)和顯微特征（圖4）。由此可見，太陽(yáng)風(fēng)輻射不僅在鈦鐵礦中留下了物理徑跡，還引發(fā)了鈦鐵礦的化學(xué)分異，促成了單質(zhì)鐵和鈦氧化物（銳鈦礦）的形成。
綜上，受太陽(yáng)風(fēng)輻射影響的鈦鐵礦顆粒表面形成了新的物相，而沖擊作用對(duì)鈦鐵礦顆粒的影響則主要表現(xiàn)為物理痕跡。
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圖3 遭受過太陽(yáng)風(fēng)輻射的鈦鐵礦顆粒（P19）的顯微結(jié)構(gòu)。
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圖4 太陽(yáng)風(fēng)輻射引起的鈦鐵礦缺陷（氦泡）的化學(xué)成分與顯微結(jié)構(gòu)。
（3）熱力學(xué)計(jì)算約束
這些熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明，太陽(yáng)風(fēng)輻射對(duì)鈦鐵礦的影響較為顯著，能夠在較低的溫度下導(dǎo)致鈦鐵礦的分解和物相變化，而撞擊作用則較難引發(fā)鈦鐵礦的分解和轉(zhuǎn)變。由此可見，太陽(yáng)風(fēng)輻射更有利于鈦鐵礦的轉(zhuǎn)變，生成單質(zhì)鐵及其他鈦氧化物等物相。
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圖5 鈦鐵礦分解（代表熔體沖擊作用）和氫還原（代表太陽(yáng)風(fēng)輻射作用）的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果。
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本研究發(fā)現(xiàn)沖擊作用和太陽(yáng)風(fēng)輻射引起鈦鐵礦的系列差異顯微結(jié)構(gòu)，并建立相關(guān)的識(shí)別標(biāo)志，揭示太陽(yáng)風(fēng)輻射更易導(dǎo)致鈦鐵礦的化學(xué)分解和物相轉(zhuǎn)變，為闡釋月球風(fēng)化層的形成和原位月球資源利用提供了新的科學(xué)依據(jù)。
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相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊JGR: Planets （張朝群#，牛笑光#，谷立新，唐旭，陳意，蔡昌潤(rùn)，戴硯超，李根，何宏平，潘永信，張志剛*，李金華*，Atomic-level structural responses of Chang'e-5 ilmenite to space weathering [J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 129, e2024JE008447）。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42225402, 42241105, 42202265, 42241152）、中國(guó)博士后面上項(xiàng)目（2023M733479）、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007-13）和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-202101, IGGCAS-202204）共同資助。
張朝群（博士后）
牛笑光（博士生）