嫦娥五号月壤中的撞击玻璃微珠

转载于 行星科学 原创  闫盼  2022-12-19   发表于贵州

摘要 中国科学院比较行星学卓越创新中心研究员、中山大学行星环境与宜居性研究实验室肖智勇教授团队研究了嫦娥五号月壤样品中的撞击玻璃微珠，对丰富的显微构造开展形态和成分的耦合研究，提出月壤的形成和改造主要发生在本地物质中。

月球表面几乎都被细粒的月壤物质覆盖。Apollo和Luna样品研究表明月球玻璃(包括火山玻璃和撞击成因玻璃)是月壤的重要组成部分，其体积占比可达20–30%。撞击玻璃形成于撞击熔融物冷却和撞击气化物凝结，是研究月球物质组成、月壤形成过程和月球撞击通量的重要载体。由于Apollo和Luna探测返回的月壤具有复杂的物源和演化历史(演化年龄大于3.6 Ga)，基于这些样品中的撞击玻璃研究月球的地质和地球化学特征，常面临多解性的挑战。嫦娥五号从年轻的月海玄武岩平原上返回了表取和钻取的月壤样品。研究发现嫦娥五号月壤的成分相对均一，其中的玄武岩岩屑具有一致的形成时间、岩相学和地球化学特征。这表明嫦娥5号月壤的原岩主要是本地月海物质，来自其他月球地质单元和月外撞击体的物质较少。因此，嫦娥5号月壤中的撞击玻璃是研究月球成壤过程的物理和化学机理的可靠载体。

图1. 研究团队在获准借用的嫦娥5号月壤中挑选的玻璃微珠

研究团队从获准的500 mg嫦娥五号月壤中挑选出153颗粒径大于20 μm的玻璃微珠。它们具有不同的形状、颜色、透明度和表面光泽(图1)。内部三维结构(图2)和表面多相混合(图3) 的特征表明，大多数玻璃微珠形成于撞击熔体冷却。

图2. 2个嫦娥五号玻璃颗粒的三维结构(a–h)和8个玻璃颗粒的三维结构切片

图3.含有孔洞或未熔融物的不均一玻璃微珠

成分和结构均一的玻璃微珠的主量元素组成表明它们也形成于撞击作用，而非火山玻璃；所有撞击玻璃微珠可按成分分为低-Ti/低-K、中-Ti/低-K和高-Al/高-K三种类型(图4a)。除极少数颗粒外，绝大多数玻璃微珠具有与本地玄武岩碎屑和整体月壤相似的主(图4b–4d)、微量(图5)元素组成。这表明这些撞击玻璃微珠的原岩物质主要是本地月壤和/或基岩，仅1粒高-Al/高-K型的颗粒的原岩可能是富KREEP成分的高地物质(图4b–4d，图5)。

图4. 嫦娥五号玻璃颗粒的成因(a)和原岩类型(b–d)判断

图5. 嫦娥五号月壤玻璃微珠的稀土元素组成

研究团队在这些玻璃微珠表面发现了大量形态丰富的显微构造，它们形成于月壤改造，记录了月球成壤作用的微观物理和化学过程。按照形态特征，这些显微构造可分为凸起型和凹陷型，并可按成分特征可进一步分为多个亚类，如孔状硅酸盐熔融层(图6a)、富铁丘状体(图6b)、薄饼状硅酸盐熔体(图6c)、颗粒填充凹陷(图6d)、蠕虫状熔融条带(图6e)和撞击微坑(图6f)等。此类显微构造在嫦娥五号月壤的其他颗粒上也大量存在，在Apollo和Luna返回的月壤颗粒上也有发现。本工作开展了系统的高分辨率的形态-成分耦合研究，发现大部分显微构造形成于不同相态的本地物质和撞击玻璃的低速碰撞，受月外物质和来自其他月球地质单元的高速远溅射物的直接贡献很小。

图6. 嫦娥五号月壤玻璃表面显微构造

研究团队发现，嫦娥五号月壤中的撞击玻璃主要形成于本地物质熔融，在成壤过程中，不同热物理状态的撞击溅射物（气化物、熔化物和固体颗粒）与已形成的玻璃颗粒发生低速粘附和碰撞，二者的交汇速度远小于月外物质的撞击速度。图7是该工作总结的撞击改造月壤的微观过程的模式图。

图7. 嫦娥5号月壤撞击玻璃记录的月壤翻转过程，SEM显微照片下方的数字表示本研究中观测到的典型显微构造的可能形成方式

本文第一作者闫盼，中山大学大气科学学院博士研究生，研究方向是撞击过程和撞击玻璃。通讯作者是中山大学大气科学学院肖智勇教授，比较行星学卓越创新中心高级研究员。该成果受中国科学院B类战略重点项目(编号：XDB41000000)、中科院重点部署项目(编号：ZDBS-SSW-JSC007-13)和中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(编号：IGGCAS-202101)共同支持。成果近期发表在JGR: Planets期刊上。

文章链接：Yan, P., Xiao, Z., Wu, Y., Yang, W., Li, J.-H., Gu, L.-X., et al. (2022). Intricate regolith reworking processes revealed by microstructures on lunar impact glasses. Journal of Geophysical Research: Planets, 127, e2022JE007260. https://doi.org/10.1029/2022JE007260

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