論述沖擊隕石對單質金屬鐵形成條件的約束

郭壯

摘要：自Apollo時代開始，單質金屬鐵就作為月球等無大氣行星體表面太空風化作用的特征產物而受到普遍關注。單質金屬鐵的形成能夠顯著改變無大氣行星體的反射光譜特征，對準確解譯行星體光譜數據具有重要意義。目前缺乏對于單質金屬鐵形成條件的深入研究與探討。基于此，本文擬論述隕石的沖擊特征對空間環境中單質金屬鐵形成條件的約束作用，進而對空間環境中太空風化作用過程有更深刻的理解。

關鍵詞：單質金屬鐵;太空風化;隕石沖擊作用

1.引言

太空風化作用是指在空間環境中，無大氣行星體表面物質由于持續受到微隕石撞擊，太陽風粒子注入以及宇宙射線的影響而改變其物理、化學性質的過程（圖1）。單質金屬鐵是太空風化過程的特征產物，指的是廣泛分布于月球等無大氣行星體表層物質中的亞微米級單質金屬鐵顆粒，所在位置是無大氣行星體與太空環境發生相互作用的地方，能夠記錄大量的太空風化的信息，是研究無大氣行星體表面空間環境以及物質演化過程的重要對象。目前已經有大量的工作證實單質金屬鐵能夠顯著的改變無大氣行星體的反射光譜特征。然而對于單質金屬鐵的形成機理還缺乏全面深入的認識，主要的研究都是基于地外樣品分析以及模擬實驗（脈沖激光器模擬微隕石轟擊、離子注入機模擬太陽風輻射）。因此，如果能夠深入的認識不同類型沖擊隕石中單質金屬鐵的形成機理以及鐵元素的來源，這將對研究無大氣行星體表面空間環境以及行星體物質的演化過程起到至關重要的作用。

2.單質金屬鐵形成機制概述

對于太空風化作用產生單質金屬鐵的研究早在Apollo時代，Hapke等就認為月壤顆粒表層覆蓋有蒸汽沉積形成的單質金屬鐵，后來Keller等發現含有單質鐵的月壤顆粒表層的非晶環帶中更富集S等揮發分而缺失難熔組分，具有蒸發沉積引起的元素分異特征。同時，Fe同位素分析結果證明，含有單質金屬鐵的月壤顆粒相對于月壤更加富集56Fe，并且隨成熟度增加有升高的趨勢，這一特征表明單質金屬鐵具有高溫蒸發沉積導致的同位素質量分餾的特征。此外，Anand等在Dhofar280月球角礫巖隕石中，發現的新礦物Hapkite（Fe2Si，Fe和Si都是零價態），也證明了蒸發沉積中高價態鐵被還原的可能性。這些證據說明單質金屬鐵可能形成于隕石轟擊引起的蒸發沉積作用，因此，之前工作都認為隕石轟擊引起的蒸發沉積是形成單質金屬鐵的主要原因。

然而，此后又有學者發現部分含有單質金屬鐵的非晶環帶具有與母體硅酸鹽顆粒相似的化學組成，并不富集揮發份，也沒有外來元素的分布，這表明這些單質金屬鐵可能形成于鎂鐵硅酸鹽的原位還原作用。Noble等通過脈沖激光模擬微隕石轟擊作用，在橄欖石表面非晶質的表層與下層，發現了不同特征的單質金屬鐵顆粒，下層的非晶質特征不具有沉積的特征。

Sasaki等人也通過脈沖激光器模擬微隕石轟擊橄欖石的過程中得到了大量的單質金屬鐵，由此可見，微隕石轟擊產生的高溫熔融作用，確實可以引起鎂鐵硅酸鹽中鐵離子的還原，進而形成單質態的金屬鐵。因此，鎂鐵硅酸鹽的原位還原作用可能是形成無大氣天體表面大量單質金屬鐵的另一重要原因。然而。當前已有的研究工作，并沒有對原位沖擊還原單質金屬鐵的形成過程進行深入分析，一方面，由于缺乏天然的樣品，僅通過模擬實驗不能提供更詳細的形成過程信息。另一方面，行星體的演化是一個復雜的多期次過程，單質金屬鐵的形成過程具有不唯一性。

3.隕石沖擊作用特征概述

沖擊作用在隕石的演化歷史中起很重要的作用。所有的早期太陽系統模型，包括礦物顆粒的聚合形成小天體，以及小天體聚合形成行星都受沖擊作用的控制。目前對沖擊隕石的研究主要集中于沖擊作用產生的高壓礦物，遭受強烈沖擊作用的隕石包含有各種主要礦物的高壓相（橄欖石、輝石、長石以及石英），這些高壓礦物大多出現于球粒隕石、月球隕石、HED以及火星隕石的沖擊熔融脈之中。隕石沖擊脈中高壓礦物的出現可以指示其經歷的高溫高壓環境，與沖擊事件的壓力-溫度-時間歷史緊密關聯。

沖擊脈中高壓礦物的形成方式主要有兩種：（1）隕石中主體巖石礦物（橄欖石、輝石和長石）的固態相變，這些礦物碎塊在沖擊過程中被周圍熔體加熱，在高溫高壓下發生部分轉變形成高壓礦物;（2）沖擊產生的母巖熔體在高壓下結晶產生高壓礦物。常見的高壓礦物相包括：林伍德石;瓦茲利石;鎂鐵榴石;阿基莫石;布氏巖;鎂方鐵礦;斯石英，柯世英等。隨著高溫高壓實驗的發展，我們可以通過相圖來得到各高壓礦物形成的條件，如根據Mg2SiO4-Fe2SiO4的相圖可以得到橄欖石在23GPa～25GPa的壓力下分離成布氏巖和鎂方鐵礦（以及斯石英）;同時高溫高壓實驗證明，在高于1600°C的高溫以及18GPa的壓力下頑輝石（與Si發生四次配位）首先轉變為石榴石結構（與Si發生四次和六次配位），隨著壓力的增大，在22GPa的壓力下變為鈣鈦礦結構（與Si發生六次配位）。在低溫區域（<1600°C），頑輝石分解為瓦茲利石和斯石英;鈉長石在特定條件下可以分解為硬玉+柯石英。因此，根據高壓礦物組合來估算隕石的沖擊環境已經成為研究沖擊過程的重要方法，可以通過沖擊隕石中高溫高壓礦物組合來研究微觀尺度礦物的相變，為其提供環境約束性。近些年，很多學者使用高壓相平衡的數據與沖擊相結合來解釋觀察到的沖擊隕石中的顯微結構，這其中就包括有沖擊隕石中單質金屬鐵的出現。

4.沖擊隕石對單質金屬鐵形成條件的約束

沖擊隕石作為天然的太空樣品，是反演行星體演化歷史的重要依據。近些年，陸續有學者在具有沖擊特征的隕石中發現單質金屬鐵的存在，根據賦存特征推測這些單質金屬鐵可能形成于隕石沖擊引起的沖擊熔融作用。無論是發育有沖擊脈的球粒隕石還是月球角礫巖隕石或者其他類型隕石樣品大多都經歷了強烈的沖擊事件，這一過程恰好與微隕石撞擊產生原位還原的單質金屬鐵的過程相類似，這為原位還原單質金屬鐵的形成提供了必要的沖擊熔融條件。而沖擊隕石在保留單質金屬鐵的同時，也會保留其在沖擊時的巖石學特征，并且更為重要的一點在于，隕石的沖擊作用以及行星體的太空風化作用都是在空間環境中進行的，受到多方面因素的控制，沖擊所產生的效應在一定程度上是無法與實驗模擬的過程相比較。因此，根據隕石的沖擊特征來類比行星體太空風化的微隕石撞擊過程是更切實際的，所得到的結果也更加可信。單質金屬鐵作為與沖擊作用伴生的微觀礦物相，我們可以通過沖擊脈中各類高壓相的組合來限定其形成的環境條件，進而從更切實際的自然事件產物中限定單質金屬鐵的形成條件。

小行星、月球等無大氣行星體的體積，物質組成以及在太陽系中的位置都不相同。導致這些無大氣行星體表面經受的太空風化作用存在較大的差異，進而導致單質金屬鐵的形成機理與物質來源也不同。我們可以從來自不同母體的不同類型隕石入手，根據其沖擊特征來揭示單質金屬鐵形成機理以及物質來源，從而對不同類型隕石的單質金屬鐵成因做出合理的判斷。最終獲得無大氣行星體表面單質金屬鐵較為全面的認識，可以更好地揭示太空風化在太陽系演化過程中的重要意義。同時，沖擊隕石的沖擊脈是在極端條件下形成的，很多不同于地球常見的礦物特征以及礦物相變有可能被觀察到，這對地球深部信息的探索也提供了很大的幫助。目前對于鎂鐵硅酸鹽在隕石沖擊的高溫高壓作用下，單質金屬鐵的形成機理還缺乏深入的認識，需要開展更加詳細的工作做深入的研究。

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