我國科學家在嫦娥五號月球樣品中首次發現高壓礦物

6月20日，中國科學院地球化學研究所網站發文稱，地化所在嫦娥五號樣品中首次發現二氧化硅的高壓相賽石英和斯石英，以下為全文：

撞擊作用是月球表面物質混合的重要地質過程，是控制月壤形成和演化的重要因素。高壓礦物作為撞擊事件的重要記錄者，對限定岩石受衝擊的温壓條件及反演撞擊坑的大小有重要意義。但是，無論月球返回樣品還是月球隕石，極少發現高壓礦物相，限制了通過月球樣品反演月表的撞擊過程的研究。

中國科學院比較行星學卓越創新中心成員、中國科學院地球化學研究所杜蔚團隊在嫦娥五號月壤樣品中發現了共生的二氧化硅的高壓相——賽石英和斯石英。通過詳細研究賽石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃的形態特徵及分佈規律，推斷賽石英和斯石英形成機制為固固相轉變；受撞擊過程的動力學控制，賽石英作為亞穩相在較低壓條件下出現，隨温度的升高部分賽石英轉變為斯石英，因此，該二氧化硅碎屑記錄了一次月表撞擊事件的升壓和緊隨其後的升温和降壓過程。通過其形成的温壓條件結合撞擊條件模擬計算，推測該二氧化硅碎屑很有可能來自嫦娥五號採樣區南面的Aristarchus撞擊坑。本研究是首次在月球返回樣品中確認發現賽石英，為前人通過遙感數據分析提出的嫦娥五號採樣區存在遠處撞擊坑濺射物的觀點提供了重要證據。

月球表面遍佈形態多樣和大小不一的撞擊坑，表明其在演化過程中遭受了頻繁的撞擊（圖1）。地球和月球所處的空間位置相近，研究月球的撞擊歷史不僅是月球科學的重要課題，也是窺探地球撞擊歷史的重要窗口。自然界中的高壓礦物主要形成於行星深部或宇宙天體撞擊的高温高壓環境，因此，研究高壓礦物的成分、結構及其形成過程對認識行星內部物質組成和撞擊過程有重要的科學意義。

圖1. (a) 嫦娥五號着陸點、Mairan G、Aristarchus、Harpalus和Copernicus撞擊坑位置；(b) 撞擊坑形成示意圖

儘管月球隕石和月球返回樣品保存了月表物質遭受撞擊的記錄，但是月球樣品中發現的高壓礦物較少。迄今為止，在月球隕石中只觀察到橄欖石的高壓相（林伍德石和瓦茲利石）、二氧化硅的高壓相（柯石英、斯石英和賽石英）、鋯石的高壓相（雷鋯石）、鈣硬玉以及一種新的含鈣鋁的高壓礦物Donwilhelmsite（CaAl4Si2O11）。另一方面，儘管美國和前蘇聯返回了數量較多的月球樣品且已進行了長達五十年的研究，其中卻極少見關於高壓礦物的報道，目前僅在一塊阿波羅角礫岩（15299）中發現過斯石英和疑似賽石英的二氧化硅相（Kaneko et al., 2015）。

賽石英（α-PbO2結構）和斯石英（金紅石型結構）作為兩個重要的二氧化硅超高壓相，在固體化學、地球物理以及行星科學等領域都有重要的研究價值。斯石英在受衝擊隕石（普通球粒隕石、火星隕石、月球隕石、灶神星隕石等）中較為常見，其形成機理相對清晰；而賽石英僅在幾塊火星隕石和一塊月球隕石中發現，其形成機制未得到充分的認識。此外，高温高壓實驗和理論計算顯示，賽石英的穩定壓力較高（>100 GPa），因此常被當成超高壓的指示礦物。然而，自然界中能產生如此高衝擊壓力的撞擊事件極為罕見。特別是考慮到賽石英的熱穩定性較差，而高衝擊壓力往往伴隨較高的温度，因此，賽石英的出現能否指示超大撞擊事件有待商榷，隕石中斯石英和賽石英的共存機理也一直懸而未知。

相比於月球隕石來源的不確定性，月球返回樣品具有明確的月面座標等信息，因此在反演月表撞擊過程中具有不可替代的優勢。嫦娥五號返回的月壤樣品為反演月表的撞擊過程的研究提供了重要的樣品。初步研究表明，嫦娥五號樣品主要由玄武岩組成並含有一定量的衝擊熔融角礫，後者是月表經歷多次撞擊的物證，可能包含來自較遠撞擊坑的濺射物（Qian et al., 2021）。這些濺射物可能具有不同於嫦娥五號採樣區域岩石的特徵（如巖性、年齡等），對豐富月球的物質組成和地質過程的認識有重要作用，而尋找其中的高壓礦物能為濺射物溯源提供一定的線索。遙感探測研究能在大尺度上提供嫦娥五號着陸區撞擊濺射物的分佈和來源等信息，而對返回樣品進行細緻的研究能為這些信息提供實證。

圖2. 嫦娥五號月壤樣品中含賽石英（Sft）和斯石英（Sti）的二氧化硅碎屑（背散射電子圖像）；α-Crs-like phase：似α-方石英的二氧化硅相Pl：長石；Px：輝石

圖3. 賽石英的透射電子顯微鏡的明場像（a、c和e）和選區電子衍射花樣（b、d和f）

中國科學院地球化學研究所杜蔚研究員團隊，在一塊嫦娥五號月壤粉末光片（編號CE5C0800YJFM00101GP）中發現了二氧化硅的兩種高壓相——賽石英和斯石英，這是科學家們首次在地外返回樣品中發現賽石英。賽石英和斯石英出現在一塊二氧化硅碎屑中（圖2），與之共存的還有似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃。其中，賽石英和斯石英（圖2和圖3）均被不定形態的二氧化硅葉片有規律地切割，形成不同形式的格子結構（賽石英為近直角四邊形；斯石英為近六邊形），指示了它們的形成機制為固態相轉變。透射電鏡顯微結構分析結果指示，賽石英和似α-方石英的二氧化硅相之間存在一定的結晶學取向關係，推測α-方石英為二者固態相轉變前的母體礦物，斯石英則可能是由賽石英轉變而來。此外，根據賽石英和斯石英的TTT曲線（圖4），結合賽石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相和二氧化硅玻璃的分佈比例，可以估算α-方石英轉變為賽石英，賽石英轉變為斯石英的轉化率分別為~10–50%和20%。

圖4. 賽石英和斯石英的時間-温度-轉變TTT（Time-Temperature-Transformation）曲線，修改自Kubo et al. (2015)

賽石英和斯石英穩定共存的温壓區間為~50–90 GPa和~500–2500 K，但是賽石英易受到衝擊熱效應破壞（>1100 K），因此不太可能形成於較大沖擊壓力域。參考有賽石英的月球隕石和火星隕石經歷的衝擊壓力條件，形成本樣品中賽石英和斯石英的衝擊壓力應不超過40 GPa。另外，根據Kubo等（2015）的高温高壓實驗結果，賽石英可在低至11 GPa的條件下由α-方石英的中間相方石英X-I轉變形成，且在温度升至900 K左右時，賽石英可繼續轉變為斯石英。因此，賽石英和斯石英共存的壓力下限約為11 GPa。

利用限定的衝擊壓力範圍（11–40 GPa），估算形成賽石英和斯石英的撞擊坑的直徑為~3–32 km。考慮到撞擊坑計算中參數選擇的不確定性，包括撞擊角度和撞擊坑內存在的壓力梯度等，這個範圍值應為撞擊坑直徑的下限。結合前人遙感觀測及對嫦娥五號着陸點物源分析結果，Mairan G（直徑~6 km，年齡480±50 Ma）、Aristarchus（~40 km，280 Ma）、Harpalus（~40 km，490±60 Ma）和Copernicus（~94 km，~796 Ma）撞擊坑均可能是賽石英和斯石英的來源坑。但考慮到賽石英和斯石英具有較低的熱穩定性，它們的源坑形成越年輕，賽石英和斯石英受到後期熱擾動的概率越小，其保存可能性越高。因此，在此嫦娥五號樣品中發現的賽石英和斯石英最有可能來自於Aristarchus撞擊坑。