论述冲击陨石对单质金属铁形成条件的约束

郭壮

摘要：自Apollo时代开始，单质金属铁就作为月球等无大气行星体表面太空风化作用的特征产物而受到普遍关注。单质金属铁的形成能够显著改变无大气行星体的反射光谱特征，对准确解译行星体光谱数据具有重要意义。目前缺乏对于单质金属铁形成条件的深入研究与探讨。基于此，本文拟论述陨石的冲击特征对空间环境中单质金属铁形成条件的约束作用，进而对空间环境中太空风化作用过程有更深刻的理解。

关键词：单质金属铁;太空风化;陨石冲击作用

1.引言

太空风化作用是指在空间环境中，无大气行星体表面物质由于持续受到微陨石撞击，太阳风粒子注入以及宇宙射线的影响而改变其物理、化学性质的过程（图1）。单质金属铁是太空风化过程的特征产物，指的是广泛分布于月球等无大气行星体表层物质中的亚微米级单质金属铁颗粒，所在位置是无大气行星体与太空环境发生相互作用的地方，能够记录大量的太空风化的信息，是研究无大气行星体表面空间环境以及物质演化过程的重要对象。目前已经有大量的工作证实单质金属铁能够显著的改变无大气行星体的反射光谱特征。然而对于单质金属铁的形成机理还缺乏全面深入的认识，主要的研究都是基于地外样品分析以及模拟实验（脉冲激光器模拟微陨石轰击、离子注入机模拟太阳风辐射）。因此，如果能够深入的认识不同类型冲击陨石中单质金属铁的形成机理以及铁元素的来源，这将对研究无大气行星体表面空间环境以及行星体物质的演化过程起到至关重要的作用。

2.单质金属铁形成机制概述

对于太空风化作用产生单质金属铁的研究早在Apollo时代，Hapke等就认为月壤颗粒表层覆盖有蒸汽沉积形成的单质金属铁，后来Keller等发现含有单质铁的月壤颗粒表层的非晶环带中更富集S等挥发分而缺失难熔组分，具有蒸发沉积引起的元素分异特征。同时，Fe同位素分析结果证明，含有单质金属铁的月壤颗粒相对于月壤更加富集56Fe，并且随成熟度增加有升高的趋势，这一特征表明单质金属铁具有高温蒸发沉积导致的同位素质量分馏的特征。此外，Anand等在Dhofar280月球角砾岩陨石中，发现的新矿物Hapkite（Fe2Si，Fe和Si都是零价态），也证明了蒸发沉积中高价态铁被还原的可能性。这些证据说明单质金属铁可能形成于陨石轰击引起的蒸发沉积作用，因此，之前工作都认为陨石轰击引起的蒸发沉积是形成单质金属铁的主要原因。

然而，此后又有学者发现部分含有单质金属铁的非晶环带具有与母体硅酸盐颗粒相似的化学组成，并不富集挥发份，也没有外来元素的分布，这表明这些单质金属铁可能形成于镁铁硅酸盐的原位还原作用。Noble等通过脉冲激光模拟微陨石轰击作用，在橄榄石表面非晶质的表层与下层，发现了不同特征的單质金属铁颗粒，下层的非晶质特征不具有沉积的特征。

Sasaki等人也通过脉冲激光器模拟微陨石轰击橄榄石的过程中得到了大量的单质金属铁，由此可见，微陨石轰击产生的高温熔融作用，确实可以引起镁铁硅酸盐中铁离子的还原，进而形成单质态的金属铁。因此，镁铁硅酸盐的原位还原作用可能是形成无大气天体表面大量单质金属铁的另一重要原因。然而。当前已有的研究工作，并没有对原位冲击还原单质金属铁的形成过程进行深入分析，一方面，由于缺乏天然的样品，仅通过模拟实验不能提供更详细的形成过程信息。另一方面，行星体的演化是一个复杂的多期次过程，单质金属铁的形成过程具有不唯一性。

3.陨石冲击作用特征概述

冲击作用在陨石的演化历史中起很重要的作用。所有的早期太阳系统模型，包括矿物颗粒的聚合形成小天体，以及小天体聚合形成行星都受冲击作用的控制。目前对冲击陨石的研究主要集中于冲击作用产生的高压矿物，遭受强烈冲击作用的陨石包含有各种主要矿物的高压相（橄榄石、辉石、长石以及石英），这些高压矿物大多出现于球粒陨石、月球陨石、HED以及火星陨石的冲击熔融脉之中。陨石冲击脉中高压矿物的出现可以指示其经历的高温高压环境，与冲击事件的压力-温度-时间历史紧密关联。

冲击脉中高压矿物的形成方式主要有两种：（1）陨石中主体岩石矿物（橄榄石、辉石和长石）的固态相变，这些矿物碎块在冲击过程中被周围熔体加热，在高温高压下发生部分转变形成高压矿物;（2）冲击产生的母岩熔体在高压下结晶产生高压矿物。常见的高压矿物相包括：林伍德石;瓦兹利石;镁铁榴石;阿基莫石;布氏岩;镁方铁矿;斯石英，柯世英等。随着高温高压实验的发展，我们可以通过相图来得到各高压矿物形成的条件，如根据Mg2SiO4-Fe2SiO4的相图可以得到橄榄石在23GPa～25GPa的压力下分离成布氏岩和镁方铁矿（以及斯石英）;同时高温高压实验证明，在高于1600°C的高温以及18GPa的压力下顽辉石（与Si发生四次配位）首先转变为石榴石结构（与Si发生四次和六次配位），随着压力的增大，在22GPa的压力下变为钙钛矿结构（与Si发生六次配位）。在低温区域（<1600°C），顽辉石分解为瓦兹利石和斯石英;钠长石在特定条件下可以分解为硬玉+柯石英。因此，根据高压矿物组合来估算陨石的冲击环境已经成为研究冲击过程的重要方法，可以通过冲击陨石中高温高压矿物组合来研究微观尺度矿物的相变，为其提供环境约束性。近些年，很多学者使用高压相平衡的数据与冲击相结合来解释观察到的冲击陨石中的显微结构，这其中就包括有冲击陨石中单质金属铁的出现。

4.冲击陨石对单质金属铁形成条件的约束

冲击陨石作为天然的太空样品，是反演行星体演化历史的重要依据。近些年，陆续有学者在具有冲击特征的陨石中发现单质金属铁的存在，根据赋存特征推测这些单质金属铁可能形成于陨石冲击引起的冲击熔融作用。无论是发育有冲击脉的球粒陨石还是月球角砾岩陨石或者其他类型陨石样品大多都经历了强烈的冲击事件，这一过程恰好与微陨石撞击产生原位还原的单质金属铁的过程相类似，这为原位还原单质金属铁的形成提供了必要的冲击熔融条件。而冲击陨石在保留单质金属铁的同时，也会保留其在冲击时的岩石学特征，并且更为重要的一点在于，陨石的冲击作用以及行星体的太空风化作用都是在空间环境中进行的，受到多方面因素的控制，冲击所产生的效应在一定程度上是无法与实验模拟的过程相比较。因此，根据陨石的冲击特征来类比行星体太空风化的微陨石撞击过程是更切实际的，所得到的结果也更加可信。单质金属铁作为与冲击作用伴生的微观矿物相，我们可以通过冲击脉中各类高压相的组合来限定其形成的环境条件，进而从更切实际的自然事件产物中限定单质金属铁的形成条件。

小行星、月球等無大气行星体的体积，物质组成以及在太阳系中的位置都不相同。导致这些无大气行星体表面经受的太空风化作用存在较大的差异，进而导致单质金属铁的形成机理与物质来源也不同。我们可以从来自不同母体的不同类型陨石入手，根据其冲击特征来揭示单质金属铁形成机理以及物质来源，从而对不同类型陨石的单质金属铁成因做出合理的判断。最终获得无大气行星体表面单质金属铁较为全面的认识，可以更好地揭示太空风化在太阳系演化过程中的重要意义。同时，冲击陨石的冲击脉是在极端条件下形成的，很多不同于地球常见的矿物特征以及矿物相变有可能被观察到，这对地球深部信息的探索也提供了很大的帮助。目前对于镁铁硅酸盐在陨石冲击的高温高压作用下，单质金属铁的形成机理还缺乏深入的认识，需要开展更加详细的工作做深入的研究。

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