AIP:中国月球样本中的硅土揭示了月球隐藏的历史

诸平

Fresh Crater on Oceanus Procellarum. Credit: NASA/GSFC/Arizona State University

据《科技日报》（SciTechDaily）网站刊发来自美国物理学会（American Institute of Physics简称AIP）2024年3月2日的报道，中国月球样本中的硅土揭示了月球隐藏的历史（Silica Surprises in China’s Lunar Sample Reveal Moon’s Hidden History）。

中国2020年登月任务（China’s 2020 lunar mission）带回的月球样本中含有矿物，这为它们的起源提供了线索。地球的月球之所以呈现出“瑞士奶酪”（Swiss cheese）的样子，是因为天体撞击了月球表面，形成了陨石坑。但陨石坑并不是留下的全部;这种碰撞的高压和高温也会影响覆盖在月球表面的岩石和尘埃，即风化层，改变其矿物组成和结构。分析由此产生的矿物为现代研究人员提供了了解月球过去的线索。

嫦娥5号月球样本分析（Chang’e-5’s Lunar Sample Analysis）

继1976年苏联的“月球24号”（Soviet Union’s Luna 24）之后，中国的“嫦娥5号”（China’s Chang’e-5简称CE-5）从“海洋号”(Oceanus Procellarum)上带回了1.73 kg的月球样品。该样本于2020年底随嫦娥5号(CE-5)着陆，其中包括一种新的矿物Changesite-(Y)，以及一种令人困惑的硅土矿物组合。

在AIP出版的期刊《物质与极端辐射》（Matter and Radiation at Extremes）中，中国科学院的研究人员将CE-5的物质组成与其他月球和火星风化样品进行了比较。他们研究了月球样本独特组成的潜在原因和来源。原文详见Jing Yang, Wei Du. High-pressure minerals and new lunar mineral changesite-(Y) in Chang’e-5 regolith. Matter and Radiation at Extremes, 2024, 9: 027401. DOI: 10.1063/5.0148784. Published 6 February 2024. https://doi.org/10.1063/5.0148784

撞击变质作用与月球矿物(Impact Metamorphism and Lunar Minerals)

小行星（Asteroids）和彗星（comets）以极快的速度撞击月球，造成月球岩石的冲击变质作用。这种温度和压力的变化发生迅速，并具有鲜明的特征，包括形成硅多晶体（silica polymorphs），如超石英（stishovite）和赛石英（seifertite），它们的化学性质与石英相同，但具有不同的晶体结构。

作者杜伟（Wei Du音译）说：“尽管月球表面覆盖着成千上万的撞击坑，但高压矿物在月球样本中并不常见。一种可能的解释是，大多数高压矿物在高温下不稳定。因此，那些在撞击中形成的陨石可能经历了逆行过程（retrograde process）。”

然而，CE-5样品中的硅土碎片（silica fragment）同时含有超石英和赛石英，这两种矿物理论上只在比样品表面经历的高得多的压力下共存。

作者确定赛石英是介于超石英和第三种硅多晶（silica polymorph）α-方英石（α-cristobalite）之间的相，也存在于样品中。

杜伟说：“换句话说，在压缩过程中，α-方英石可能形成赛石英，在随后的升温过程中，一些样品转变为超石英。”

嫦娥5号探测结果的意义（The Significance of Chang’e-5’s Findings）

这次任务还带回了一种新的月球矿物，Changesite-(Y)，一种以无色透明柱状晶体为特征的磷酸盐矿物。

研究人员估计了形成样品的碰撞的峰值压力(11~40 GPa)和撞击持续时间(0.1~1.0 s)。将这些信息与冲击波模型相结合，他们估计产生的陨石坑的宽度在3~32 km之间，这取决于撞击的角度。

远程观测表明，CE-5风化层的远端喷出物主要来自4个陨石坑，而阿利斯塔克斯陨石坑(Aristarchus crater)是4个远端陨石坑中最年轻的一个。由于赛石英和超石英很容易受到热变质作用（thermal metamorphism）的干扰，他们推断硅土碎片可能来自形成阿里斯塔克斯陨石坑的碰撞。

这次样本返回任务展示了现代分析的力量，以及它如何帮助揭示天体的历史。

上述论文的研究得到了中国国家航天局(China National Space Administration简称CNSA)提供CE-5样品CE5C0800YJFM00101GP，而且也得到了中国科学院B类战略重点研究项目(B-Type Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences Grant No. XDB 41000000)、中国国家自然科学基金项目(National Natural Science Foundation of China Grant Nos. 41773052, 41973058, and 42003054)、中国科学院重点研究计划项目(Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences Grant No. ZDBS-SSW-JSC007-10)、中国国家航天局民用航天技术预研项目(Pre-Research Project on Civil Aerospace Technologies funded by the CNSA Grant No. D020201)以及中国博士后科学基金(China Postdoctoral Science Foundation Grant No. 2020M680155)的资助。

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