研究揭示嫦娥五號月壤中二氧化硅高壓相和新礦物嫦娥石成因

近日，中國科學院地球化學研究所研究員杜蔚、副研究員楊晶，在《極端條件下的物質與輻射》（Matter and Radiation at Extremes）上發表研究成果，總結回顧了地外隕石樣品和返回的嫦娥五號月壤樣品中二氧化硅高壓相的類型和動力學形成機制，探討了嫦娥五號樣品中發現的首個新礦物嫦娥石的地球化學成因。該工作揭示了尋找、鑒定和研究高壓礦物以及新礦物對月球和行星科學發展的意義。?

二氧化硅是類地行星的最主要組成成分之一，其在高溫或高壓條件下形成的礦物相可為了解類地行星的內部結構和物理性質，以及作用于行星體表面的撞擊過程提供重要信息。來自地外的隕石樣品和月球返回樣品中的二氧化硅高壓相包括柯石英、斯石英和賽石英，它們或通過固態相轉變或從高壓熔體中結晶而成。高溫高壓平衡實驗結果顯示，賽石英穩定存在的壓力域超過100 GPa，與斯石英穩定共存的壓力需達到50-90?GPa。然而，小行星撞擊很難產生如此高的壓力條件，并且極高的沖擊壓力必然產生極高的溫度，熱穩定性差的賽石英則難以保存，因此，地外樣品中發現的賽石英的形成過程一直令人困惑。此外，高溫高壓實驗結合原位X射線衍射分析結果顯示，方石英在壓力升高時率先轉變為方石英-II和方石英-XI相；升高溫度，方石英-XI相則轉變成亞穩態的賽石英；繼續升溫，賽石英會進一步相變為斯石英。在嫦娥五號月壤中首次發現的共生的賽石英和斯石英，其結構以及與共存的似α-方石英（可能是尚未鑒定出的方石英的中間相）之間的晶體學取向關系表明，它們的形成可能是受撞擊動力學過程所控制。該樣品是對二氧化硅高壓相動力學行為的一次完美展現，展示了平衡靜態壓力實驗和動態高壓實驗獲得的高壓礦物形成的P-T-t條件的巨大差異。這一研究成果強調了對不同造巖礦物高壓相開展受動力學控制的結構相變研究工作的迫切性，以揭示天然沖擊事件的動力學特征。?

核工業北京地質研究院研究員李婷團隊在嫦娥五號月壤中發現了首個新礦物，并命名為嫦娥石，我國因此成為第三個發現月球新礦物的國家。嫦娥石是磷酸鹽礦物【(Ca₈Y)□Fe²⁺(PO₄)₇】，具有異常高的Y和REE元素含量。地化所研究人員通過分析嫦娥石的化學成分發現，以56個O原子為基準，嫦娥石中的Y+REE原子數可達1-2.3。(Y+REE)³⁺ 取代Ca²⁺，并主要通過Na⁺位置存在的空位實現電荷平衡；當Y+REE原子數超過2時，電荷平衡則通過Si⁴⁺取代P⁵⁺完成。嫦娥五號玄武巖具有很高的不相容元素含量，隨著巖漿結晶分異的進行，不相容元素更加傾向富集于殘余熔體。熱力學計算表明，當嫦娥五號玄武巖分離結晶程度達~75%時，殘余熔體進入硅酸鹽液相不混溶區，分離形成“富鐵”和“富硅”兩相不混溶的熔體，而P、Y和REE等高場強元素優先進入“富鐵”熔體。嫦娥石存在于嫦娥五號玄武巖結晶晚期由殘余熔體固化形成的粒間填隙物中，并且該區域具有明顯的液相不混溶特征。因此，研究人員提出嫦娥石的發現進一步指示嫦娥五號玄武巖化學組成的特殊性，而巖漿的高度分異疊加硅酸鹽液相不混溶作用，促成異常富集Y和REE元素的嫦娥石的形成。?

嫦娥五號月壤是時隔45年后人類再次從月球返回樣品，為研究月球的形成和演化提供了新的契機。在嫦娥五號樣品中發現的二氧化硅高壓礦物限定了小行星撞擊月表的過程，而新礦物嫦娥石也反映了月球巖漿演化晚期的信息。可見，對更多的、新的月球樣品的分析，更多類型高壓礦物和新礦物的發現，將有助于進一步揭示包括月球在內行星體的形成和演化歷史。?

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嫦娥五號月壤中，含有賽石英和斯石英的二氧化硅礦物碎屑的背散射電子照片

嫦娥石的背散射電子照片