中國粉體網(wǎng)訊 撞擊作用是月球表面物質(zhì)混合的重要地質(zhì)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，對限定巖石受沖擊的溫壓條件及反演撞擊坑的大小有重要意義。但是，月球返回樣品和月球隕石中較少發(fā)現(xiàn)高壓礦物相，限制了通過月球樣品反演月表撞擊過程的研究。
中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心成員、中科院地球化學(xué)研究所杜蔚團(tuán)隊及其合作者在嫦娥五號月壤樣品中發(fā)現(xiàn)了共生的二氧化硅的高壓相——賽石英和斯石英。通過研究賽石英、斯石英、似α-方石英的二氧化硅相及二氧化硅玻璃的形態(tài)特征及分布規(guī)律，推斷賽石英和斯石英形成機制為固固相轉(zhuǎn)變；受撞擊過程的動力學(xué)控制，賽石英作為亞穩(wěn)相在較低壓條件下出現(xiàn)，隨溫度的升高部分賽石英轉(zhuǎn)變?yōu)樗故ⅲ虼耍摱趸杷樾加涗浟艘淮卧卤碜矒羰录纳龎汉途o隨其后的升溫和降壓過程。通過其形成的溫壓條件結(jié)合撞擊條件模擬計算，研究推測該二氧化硅碎屑可能來自嫦娥五號采樣區(qū)南面的Aristarchus撞擊坑。該研究是首次在月球返回樣品中確認(rèn)發(fā)現(xiàn)賽石英，為前人通過遙感數(shù)據(jù)分析提出的嫦娥五號采樣區(qū)存在遠(yuǎn)處撞擊坑濺射物的觀點提供了重要證據(jù)。
月球表面遍布形態(tài)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(xué)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于行星深部或宇宙天體撞擊的高溫高壓環(huán)境，因此，研究高壓礦物的成分、結(jié)構(gòu)及其形成過程對認(rèn)識行星內(nèi)部物質(zhì)組成和撞擊過程有重要科學(xué)意義。
圖1.（a）嫦娥五號著陸點、Mairan G、Aristarchus、Harpalus和Copernicus撞擊坑位置；（b）撞擊坑形成示意圖
盡管月球隕石和月球返回樣品保存了月表物質(zhì)遭受撞擊的記錄，但是月球樣品中發(fā)現(xiàn)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）、鈣硬玉以及新的含鈣鋁的高壓礦物Donwilhelmsite（CaAl4Si2O11）。此外，盡管美國和前蘇聯(lián)返回了數(shù)量較多的月球樣品且已進(jìn)行了長達(dá)五十年的研究，其中卻少見關(guān)于高壓礦物的報道，目前僅在一塊阿波羅角礫巖（15299）中發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)）和斯石英（金紅石型結(jié)構(gòu)）作為兩個重要的二氧化硅超高壓相，在固體化學(xué)、地球物理以及行星科學(xué)等領(lǐng)域具有重要研究價值。斯石英在受沖擊隕石（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(fā)現(xiàn)，其形成機制未得到充分認(rèn)識。此外，高溫高壓實驗和理論計算顯示，賽石英的穩(wěn)定壓力較高（>100 GPa），因此常被當(dāng)成超高壓的指示礦物。然而，自然界中能產(chǎn)生如此高沖擊壓力的撞擊事件十分罕見。特別是考慮到賽石英的熱穩(wěn)定性較差，而高沖擊壓力往往伴隨較高的溫度，因此，賽石英的出現(xiàn)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仍不清楚。
相比于月球隕石來源的不確定性，月球返回樣品具有明確的月面坐標(biāo)等信息，因此在反演月表撞擊過程中具有不可替代的優(yōu)勢。嫦娥五號返回的月壤樣品為反演月表撞擊過程的研究提供了重要樣品。初步研究表明，嫦娥五號樣品主要由玄武巖組成并含有一定量的沖擊熔融角礫，后者是月表經(jīng)歷多次撞擊的物證，可能包含來自較遠(yuǎn)撞擊坑的濺射物（Qian et al., 2021）。這些濺射物可能具有不同于嫦娥五號采樣區(qū)域巖石的特征（如巖性、年齡等），對豐富月球的物質(zhì)組成和地質(zhì)過程的認(rèn)識有重要作用，而尋找其中的高壓礦物可為濺射物溯源提供線索。遙感探測研究可在大尺度上提供嫦娥五號著陸區(qū)撞擊濺射物的分布和來源等信息，而對返回樣品進(jìn)行細(xì)致研究可為上述信息提供實證。
科研人員在一塊嫦娥五號月壤粉末光片（編號CE5C0800YJFM00101GP）中發(fā)現(xiàn)了二氧化硅的兩種高壓相——賽石英和斯石英，這是首次在地外返回樣品中發(fā)現(xiàn)賽石英。賽石英和斯石英出現(xiàn)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(tài)的二氧化硅葉片有規(guī)律地切割，形成不同形式的格子結(jié)構(gòu)（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(tài)相轉(zhuǎn)變。透射電鏡顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)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(jié)晶學(xué)取向關(guān)系，推測α-方石英為二者固態(tài)相轉(zhuǎn)變前的母體礦物，斯石英可能由賽石英轉(zhuǎn)變而來。此外，根據(jù)賽石英和斯石英的TTT曲線（圖4），結(jié)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布比例，可以估算α-方石英轉(zhuǎn)變?yōu)橘愂ⅲ愂⑥D(zhuǎn)變?yōu)樗故⒌霓D(zhuǎn)化率分別為~10–50%和20%。
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(qū)電子衍射花樣（b、d和f）
圖4.賽石英和斯石英的時間-溫度-轉(zhuǎn)變TTT（Time-Temperature-Transformation）曲線，修改自Kubo et al. (2015)
賽石英和斯石英穩(wěn)定共存的溫壓區(qū)間為~50–90 GPa和~500–2500 K，但是賽石英易受到?jīng)_擊熱效應(yīng)破壞（>1100 K），因此不太可能形成于較大沖擊壓力域。參考有賽石英的月球隕石和火星隕石經(jīng)歷的沖擊壓力條件，形成本樣品中賽石英和斯石英的沖擊壓力應(yīng)不超過40 GPa。此外，根據(jù)前人研究的高溫高壓實驗結(jié)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(zhuǎn)變形成，并且在溫度升至900 K左右時，賽石英可繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)樗故ⅰＲ虼耍愂⒑退故⒐泊娴膲毫ο孪藜s為11 GPa。
利用限定的沖擊壓力范圍（11–40 GPa），研究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(shù)選擇的不確定性，包括撞擊角度和撞擊坑內(nèi)存在的壓力梯度等，該范圍值應(yīng)為撞擊坑直徑的下限。結(jié)合前人遙感觀測及對嫦娥五號著陸點物源分析結(jié)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(wěn)定性，它們的源坑形成越年輕，賽石英和斯石英受到后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(fā)現(xiàn)的賽石英和斯石英最有可能來自于Aristarchus撞擊坑。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、民用航天預(yù)先研究項目、中科院重點部署項目以及中國博士后科學(xué)基金的資助，國家航天局提供了嫦娥五號樣品。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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