太空风化成因纳米金属铁的形成机理与来源研究

As one of the main products of space weathering, Nano-phase iron particles (np-Fe0), which are commonly discovered on the surface of airless planetary bodies, is the major research point for planetary science. Whereas, the formation mechanisms and the sources of np-Fe0, especially its differences among various airless planetary bodies, are still not well understood. In order to resolve the above problems, pulse laser and ion implanter will be used to simulant the producing processes of np-Fe0 during the space weathering events. The goal of the project is to study the origin of np-Fe0 in the high temperature melt, the contribution of different iron containing materials for the source of np-Fe0 as well as the thermal effects on promoting the formation of np-Fe0 during solar wind implantation. Finally, The differences of np-Fe0’s origin and sources among various airless planetary bodies will be discussed and the overall understanding about the origin and sources of nanophase iron particles will be obtained.

纳米金属铁是太空风化的重要产物，广泛存在于无大气行星体表层物质之中，是当前行星科学研究的重要内容之一。然而，纳米金属铁的形成机制以及铁元素的具体来源尚未完全研究清楚，对于不同无大气行星体之间纳米金属铁成因与来源的差异，更缺乏全面与深入的认识。本项目拟针对上述问题，在获取Apollo 15月壤等地外样品中纳米金属铁赋存信息的基础上，依托脉冲激光沉积系统与离子注入机，开展多种太空风化条件下纳米金属铁的制备实验。项目侧重研究纳米金属铁的陨石冲击熔融成因以及无大气行星体表面常见含铁物质对纳米金属铁的贡献，并将验证高温对太阳风成因纳米金属铁形成与生长的促进作用。通过以上研究，结合不同无大气行星体表面的空间环境以及物质组成的差异，推断各自形成纳米金属铁的主要控制因素以及提供铁元素的主要物质种类，较为全面地认识无大气行星体表面纳米金属铁形成的太空风化过程。

纳米金属铁（Nano phase-Fe0）是指形成于太空风化过程并广泛分布于月球等无大气行星体（Air-less planetary bodies）表层物质中的纳米级单质金属铁颗粒。纳米金属铁能够显著改变无大气行星体的反射光谱特征，对光谱遥感数据的准确解译具有重要影响。此外，纳米金属铁在形成过程中记录了大量的太空风化作用信息，是研究无大气行星体表面空间环境以及物质演化过程的重要对象。然而，当前的研究工作主要侧重于纳米金属铁对光谱遥感的影响，缺乏对于其形成机理以及铁元素来源的深入研究与探讨，对于不同无大气行星体之间纳米金属铁成因与来源的差异，更缺乏全面与深入的认识。这些基础性研究工作的不足，不仅影响了光学遥感数据的准确解译，而且制约了对无大气行星体表面空间环境以及物质演化过程的深入研究。此外，我国明年即将采集月球样品并返回。这些样品主要采集于广泛经受太空风化作用的浅层月表，其中同样会存在各种成因的纳米金属铁。而如何通过这些纳米金属铁的赋存特征、形成机理以及来源，推断月球样品所经受的太空风化作用历史，也是一个重要的科学问题。通过结合Apollo样品、球粒陨石、无球粒陨石样品以及地面模拟实验，对单质金属铁的太空风化成因机制开展了系统性研究。主要研究成果包括：1. 在普通球粒陨石GRV 022115中验证了辉石分解成因的单质金属铁以及辉石相变产物。其反应过程为：FeSiO3 → Fe + SiO2 + 1/2O2。从而证明小行星表层物质演化过程中，除了橄榄石之外，辉石也是形成单质金属铁从而影响光谱特征的原因。2. 在Eucrite无球粒陨石NWA 11592中验证了灶神星上歧化反应形成的单质金属铁，撞击作用使得矿物组合发生变化。反应过程为：3Fe2+ = Fe0 + 2Fe3+。结合Vesta小行星表面撞击历史，推断在一定条件下，相变物质的产生可能会影响其内部物质的识别与判断。上述研究成果，为太空风化成因单质金属铁的形成机理研究开拓了新的方向。发表Nature Index学术论文一篇，在审SCI学术论文一篇，发表中文核心期刊论文3篇，获批国家发明专利2项，实用新型专利4项，在审国际发明专利一项。