? ? ? ??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，無論月球返回樣品還是月球隕石，極少發(fā)現(xiàn)高壓礦物相，限制了通過月球樣品反演月表的撞擊過程的研究。

　　中國科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心成員、中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所杜蔚團(tuán)隊(duì)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。通過詳細(xì)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(jī)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?，該二氧化硅碎屑記錄了一次月表撞擊事件的升壓和緊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(jì)算，推測該二氧化硅碎屑很有可能來自嫦娥五號采樣區(qū)南面的Aristarchus撞擊坑。本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(diǎn)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的撞擊（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的科學(xué)意義。

? ? ? ??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）、鈣硬玉以及一種新的含鈣鋁的高壓礦物Donwilhelmsite（CaAl4Si2O11）。另一方面，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，其中卻極少見關(guān)于高壓礦物的報(bào)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)域都有重要的研究價(jià)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(jī)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(jī)制未得到充分的認(rèn)識。此外，高溫高壓實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)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極為罕見。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(jī)理也一直懸而未知。

　　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的撞擊過程的研究提供了重要的樣品。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能為濺射物溯源提供一定的線索。遙感探測研究能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)致的研究能為這些信息提供實(shí)證。

? ? ? ??中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所杜蔚研究員團(tuán)隊(duì)，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，這是科學(xué)家們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(jī)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，斯石英則可能是由賽石英轉(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%。

? ? ? ?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。另外，根據(jù)Kubo等（2015）的高溫高壓實(shí)驗(yàn)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，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?，賽石英和斯石英共存的壓力下限約為11 GPa。

　　利用限定的沖擊壓力范圍（11–40 GPa），估算形成賽石英和斯石英的撞擊坑的直徑為~3–32 km?？紤]到撞擊坑計(jì)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，這個范圍值應(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(diǎn)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。

　　中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所龐潤連博士和楊晶助理研究員為本文共同第一作者，杜蔚研究員是本文的通訊作者，合作者包括南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院張愛鋮教授和中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所的劉世榮研究員和李瑞工程師。感謝國家航天局提供嫦娥五號樣品，該工作得到了國家自然科學(xué)基金（41603067、41773052、41973058和42003054）、中科院類地行星先導(dǎo)專項(xiàng)（XDB 41000000）、民用航天預(yù)先研究項(xiàng)目（D020201）、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-JSC007-10）以及中國博士后科學(xué)基金（2020M680155）共同資助。

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論文信息：Pang, R., Yang, J., Du, W., Zhang, A., Liu, S., & Li, R. (2022) New Occurrence of Seifertite and Stishovite in Chang’E-5 Regolith. Geophysical Research Letters, 49, https://doi.org/10.1029/2022GL098722.