作者：徐静妍 赵宇鴳
摘要：
太阳系中无大气硅酸盐天体表面长期经受太空风化作用。在硅酸盐矿物中，橄榄石对太空风化的响应最快也最显著。虽然前人对富镁橄榄石（例如Fa10）已有相当程度的研究，但对纯铁橄榄石（Fa100）或富铁橄榄石（Fa# > 20；Fa#代表Fe mol%）的太空风化产物特征及光谱效应仍缺乏认识。成都理工大学行星科学国际研究中心赵宇鴳团队，联合西北大学、中科院地球化学研究所、广东工业大学、中科院地质与地球物理研究所、香港大学的多位合作者，开展了火卫一和月球表面微陨石轰击下的富铁橄榄石（Fa100，Fa71，Fa50和 Fa29）太空风化模拟实验研究。结果表明，风化改造层厚度在Fa100中可达微米级；在富镁橄榄石中常见的蒸发沉积层在富铁橄榄石中少见；风化产生的纳米金属铁颗粒随轰击能量和橄榄石铁牌号的增加呈现粒径增大和数量减少的趋势。轰击能量（单次能量、总能量）和橄榄石铁牌号是影响橄榄石太空风化效应的两个重要因素，由于火卫较月球更远离太阳，在火卫表面，橄榄石铁牌号对太空风化效应的影响比月表更为显著。如果火卫一源自火星（以富铁橄榄石为主），那么长期的太空风化作用会使火卫表面近红外反射光谱吸收特征减弱，主体呈变暗-变红（变暗为主），但在局部还可能因存在高铁橄榄石出现变亮-变红的情况。
正文：
太阳系中存在许多无大气保护的天体，如水星、月球、火卫（火卫一、火卫二）、小行星等。这些无大气天体表面长期经受着太空风化作用。对内太阳系天体，太空风化作用主要包括宇宙辐射、太阳风和微陨石轰击等过程。就某个特定天体而言，太空风化效应受多种因素的共同影响，包括其在太阳系中的位置（撞击速度和通量，辐射环境和温度）以及天体表面的物质组成、物理特性和暴露历史等。
在硅酸盐矿物中，橄榄石通过产生纳米金属铁（np-Fe0），对太空风化的响应最快也最显著。这些纳米铁颗粒，与其他纳米级不透明颗粒、表面非晶化、囊泡等太空风化微观特征一起，是显著改变无大气天体表面光学性质的主要因素。前人围绕橄榄石的太空风化效应开展了大量研究工作，但已有的研究主要集中在富镁橄榄石（例如San Carlos橄榄石；Fa10），鲜少涉及富铁橄榄石；对富铁橄榄石（Fa# > 20）在微区改造特征和光谱特征上如何响应特定太空风化作用（如微陨石撞击、太阳风溅射等），目前仍知之甚少。
嫦娥五号返回的年轻月壤中普遍存在铁橄榄石和日本JAXA即将开展的火卫探测任务，使得理解富铁橄榄石的太空风化效应这一需求显得更为迫切。特别是火卫（火卫一和火卫二），由于缺乏显著的光谱识别特征，被认为是太阳系中最神秘的小天体之一。火卫到底起源于捕获的小行星（D 型小行星）还是火星撞击事件的残片，目前尚无定论。但近年来新的数值模拟研究认为，火卫很可能是火星大碰撞事件所残留的碎块。如果真是这样的话，火卫应该与火星表层类似，含有大量富铁橄榄石。这些富铁橄榄石的太空风化效应可能是造成火卫近红外光谱相较其他小行星显著变暗和缺乏矿物吸收特征的关键。
图1 （左）嫦娥五号月壤颗粒中存在的富铁橄榄石（Fa# > 90）(Li et al., 2021);（右）火卫一（Phobos）的表面影像。
本研究使用一套合成的富铁橄榄石（Fa100，Fa71，Fa50 和 Fa29；粒径 < 53 μm）。通过纳秒脉冲激光轰击模拟微陨石撞击所引起的热效应。实验一共设置了五个轰击能量水平，其中三个用于模拟火卫一（5 mJ*1次，5 mJ*5次和5 mJ*15次），两个用于模拟月球（15 mJ*5次和15 mJ*10次）。轰击结束后，对改造后的橄榄石表面进行了FIB切片和微区特征、光谱特征的系统研究。
实验结果表明，微陨石轰击所产生的改造效应主要呈现以下三个规律：
（一）风化改造层的结构和厚度随橄榄石铁牌号和轰击能量变化呈现差异
纯铁橄榄石（Fa100）在较低能量下（P5mJ和P25mJ），橄榄石基底上生成了蒸发沉积层和非晶层（图2左）；随着轰击能量增大，橄榄石基底上的改造层为由非晶层和亚固相层组成（图2右）。
图2. 纯铁橄榄石在较低轰击能量（左）和较高轰击能量（右）下的改造层特征
橄榄石Fa50和Fa71在所有能量下，橄榄石基底上均呈现非晶层和亚固相层结构（图3）。
图3. Fa71（左）和Fa50（右）富铁橄榄石的改造层特征
橄榄石Fa29主要生成三层结构，即橄榄石基底上呈现蒸发沉积层+非晶层+亚固相层（图4左）；但在最高能量（M150mJ）条件下蒸发沉积层缺失（图4右）。
图4. Fa29富铁橄榄石在低能量（左）和高能量（右）下的改造层特征
大部分橄榄石的改造层厚度在几百微米；而在纯铁橄榄石中，改造层厚度可达微米级。对于不同橄榄石，在大部分轰击能量下，改造层厚度在Fa50中最薄，而不是预想的Fa29（图5）。
图5. 轰击改造层厚度随轰击能量和橄榄类型变化的统计对比
（二）新生成的纳米金属铁颗粒的粒径分布存在规律
随着橄榄石铁牌号和轰击能量的增加，新生成的np-Fe0颗粒从“小而多”向“大而少”转变（图6）。特别是随着橄榄石铁牌号的增加，中等大小（10 ∼ 40 nm）和大颗粒（40 ∼ 60 nm）的纳米铁占比逐渐增加。
图6. 不同初始铁含量橄榄石和轰击能量下np-Fe0的粒径-数量分布规律
（三）太空风化有效改变富铁橄榄石近红外反射光谱特征
在大多数情况下，轰击后橄榄石的近红外反射光谱随着轰击能量增加，出现逐渐变暗（光谱反射率降低）、红化（光谱斜率增加）和吸收特征减弱（1 μm附近）等特征（图7）。与镁橄榄石或富镁橄榄石（Fa10）相比，在类似的轰击能量下，富铁橄榄石会出现更厚的改造层和更大的纳米铁颗粒（通常 > 10 nm； > 40 nm占比增加），变暗效应比变红效应更为显著。然而出乎意料的是，铁橄榄石在较高轰击能量下（M75mJ和M150mJ），虽然吸收特征仍然减弱，但光谱变化的趋势出现反转，呈现出反射率逐渐增加（变亮）和变红程度减弱的特征（图7d，图7h）。导致这种独特现象的原因与大粒径纳米铁颗粒和微米级改造层的效应叠加有关。
图7. 富铁橄榄石激光轰击前后的近红外反射光谱。(a)-(d)原始光谱，(e)-(h)归一化至1.5μm的光谱。
此外，对于拉曼光谱，轰击前后橄榄石拉曼光谱中典型双峰的位置、形状和半高宽（FWHM）均没有显著改变，轰击后的橄榄石主要在拉曼光谱的强度上有所减。因此在无大气天体表面，就位拉曼光谱可以有效识别橄榄石，不易受太空风化影响。
本研究对富铁橄榄石的系统调查扩展了对橄榄石固溶体太空风化效应的认识。当微陨石撞击月球表面，富铁橄榄石会比富镁橄榄石发生更快响应。富镁橄榄石中，气相沉积和原位分解成因的np-Fe0都存在，主要尺寸小于10 nm。若要产生更大的颗粒（例如几十纳米），通常需要其他改造过程，例如撞击（产生撞击玻璃），太阳风辐照或摩擦作用等。相比之下，富铁橄榄石或铁橄榄石中np-Fe0主要通过橄榄石就位分解形成，容易形成厚改造层和大颗粒np-Fe0（40 ~ 60 nm）。
火卫一表面经历的太空风化并不均一。在火卫一的正面，太阳风辐照通量是背面的15 ~ 100倍，微陨石撞击通量是背面的4倍。因此火卫一的正面将呈现更显著的太空风化特征和光谱改造效应。由于轰击能量（单次能量、总能量）和橄榄石铁牌号是影响橄榄石太空风化效应的两个重要因素，因此在更远离太阳的火卫表面，橄榄石铁牌号对太空风化效应的影响比月表更为显著。如果火卫富含高铁橄榄石，那么太空风化除了会使其光谱特征显著减弱外，厚改造层和大颗粒np-Fe0会使近红外光谱变暗-变红。但在纯铁橄榄石区域，还可能出现变亮-变红的特征；如果只考虑红外光谱反照率和斜率变化，一个经历了长期风化的纯铁橄榄石区域，可能会被误认为是风化程度相对较弱的较新鲜区域。
本研究发表于国际期刊Astronomy & Astrophysics（NI期刊）。本文第一作者徐静妍，为西北大学与中科院地球化学研究所联合培养硕士研究生；赵宇鴳研究员与西北大学刘燊教授为本文共同通讯作者。本研究得到中科院行星科学先导B项目（No. XDB 41000000），民用航空航天技术预研项目（No. D020102），中国科学院重点研究计划（No. ZDBS-SSW-TLC001），国家自然科学基金项目（No.41573022和No.42203047），陕西省自然科学基础研究计划重点项目（No. 2023-JC-ZD-16），广州市科技计划项目（No. 202102021184），广东省大学生创新训练计划（No.S202111845208), 香港研究资助局研究影响基金项目(No. R5043-19), 中国科学院前沿科学重点研究计划(No. QYZDY-SSW-DQC028), 北京市科学技术委员会(No. Z181100002918003) , 中科学院青年创新促进会（Y201867），国家自然科学基金面上项目（41931077）的资助。
论文信息：
Jingyan Xu（徐静妍）, Bing Mo（莫冰）, Yanxue Wu（吴焱学）, Yu-Yan Sara Zhao*（赵宇鴳）, Honglei Lin（林红磊）, Binlong Ye（叶斌龙）, Joseph Michalski, Yang Li（李阳）, Kairui Tai（邰凯瑞）, Chen Li（李琛）, Zhuang Guo（郭壮）, Chao Qi（綦超）, Shen Liu*（刘燊）, Xiongyao Li（李雄耀）, Jianzhong Liu（刘建忠）. (2023). Space weathering effects and potential spectral alteration on Phobos and the Moon: Clues from the Fe content of olivine. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202245453
