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玻璃材质参数(月球玻璃)

月球,玻璃,太阳风玻璃材质参数(月球玻璃)

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

3.3 胶结物玻璃

胶结物玻璃是由撞击产生的熔体粘结着月球岩石碎屑形成熔渣状固体。胶结物是月壤中独特而重要的组成部分，平均可以占到月壤的30%。在Apollo月壤中，其比例最高可达65%[7，23]，CE5月壤中含有大约16%的胶结物[32]。月球表面较小的陨石包括大量小于1mm的微陨石撞击会在小尺度范围内甚至在岩石碎片的表面产生熔化，这些局部熔化的物质会把周围细小的岩石碎屑粘结在一起，最终熔化的物质冷却成为玻璃和粘结的碎屑一起形成胶结物[7]。与月球上的其他玻璃和矿物颗粒相比，胶结物玻璃具有三个独特的特征[7]：(1)呈现出多孔的煤渣状；(2)含有大量的纳米铁颗粒；(3)含有大量的太阳风物质，主要是H和He。

图4(a)是一张典型的胶结物的光镜照片[28]，图4(b)是CE5月壤中胶结物玻璃切片后的扫描电镜照片，显示了其内部的多孔结构。胶结物玻璃的表层附近通常嵌有大量尺寸在3—5 nm的纳米铁颗粒，而在接近内部的玻璃基底内则离散地分布着具有更大直径的纳米铁颗粒，可达30—50 nm。这些大量存在的纳米铁会显著影响物质的光谱特征，小的纳米铁会产生发暗和发红的效果，而较大的纳米铁则主要导致发暗[24，26]。胶结物是由微陨石撞击风化的月壤产生，而已经风化的细小的月壤颗粒经过太阳风辐照会被注入太阳风物质(主要是H和He)，撞击熔化的过程中会释放一部分氢气和氦气，导致在粘稠的熔体中产生气泡[53，54]。同时，熔化和升温也会促进注入的H和月壤中的氧化亚铁反应，生成单质纳米铁和水，一部分水会汽化，另一部分则会保存在玻璃中，生成的纳米铁则会嵌入在胶结物玻璃中[23，24，54，55]。虽然月壤中的所有颗粒都暴露在太阳风中，但是胶结物玻璃中的太阳风物质往往更多[7]。太阳风中的H也一直被认为会被注入到月壤颗粒中产生OH基和水[22，56]，是月球表面水的重要来源，但在各种月壤颗粒中，胶结物被发现含有更多的水，可以达到470 ppm[23]，这可能是由于撞击熔化过程促进了水的产生以及玻璃物质可以更好地保存水分[54，55]。近期的遥感数据和理论分析还表明，来自高纬度地区的胶结物可能含水量更高[55]，CE5月壤采集地点的纬度比以往的采集地点都要高，其中丰富的胶结物玻璃可以用来深入研究月球表面水的丰度和起源。

图4 月壤中的胶结物玻璃 (a) CE5月壤中胶结物的光镜照片，呈现熔渣状[28]；(b) CE5月壤中一个胶结物切片的扫描电镜照片，其内部富含大小不一的孔洞，微区分析显示该胶结物是玻璃(Gls)和长石(PI)碎屑粘结在一起的复合物[3]；(c) Apollo 11号采集月壤中胶结物切片的扫描电镜照片，其探测的水含量最高(1215@4)，达到了175 ppm[23]

胶结物玻璃中存贮有更多的太阳风物质，其中最为宝贵的是3He。3He是一种战略能源资源，被认为是一种近乎完美的核聚变燃料，在进行核聚变反应的时候不会产生难以约束的中子，因而非常安全高效。100吨的3He就足够全人类一年的能源消耗。然而3He在地球上的含量极低，只有不到半吨。太阳风是3He的主要来源，月球没有磁场和大气的保护，太阳风可以直接辐照在月球的表面，高速的太阳风离子会注入在月壤物质中，其中钛铁矿被认为是月壤中最能够保存3He的矿物。早期的研究估计月壤中总的3He含量可能高达上百万吨[57]，然而保存在钛铁矿中的3He需要400—1500℃的高温才能完全释放出来，大大增加了开采的难度[36]。我国探月工程的重要任务之一就是对月球上的3He进行探测。最近中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队通过对CE5月壤中钛铁矿和其他碎片形成的胶结物研究发现，钛铁矿的表面有一层厚度约50 nm的玻璃物质，这些玻璃中存在一些直径5—25 nm的He气泡，气泡中He浓度最高可达每立方纳米192个(图5)[36]。粗略估计月壤钛铁矿表面玻璃物质以气泡形式所捕获的3He可能高达26万吨。玻璃中的He气泡可能是捕捉到了钛铁矿晶体释放出来的He气体而形成的。由于沟道效应或者撞击产生的温度升高，原本保存在晶体中的He气会被释放出来扩散到无序密堆的玻璃层中逐渐汇集形成气泡，在高温下玻璃还会发生软化更容易吸收气体产生气泡。这一研究结果说明玻璃物质很可能具有更好的捕获和保存太阳风气体的能力，同时这些保存在玻璃气泡中的3He可以通过机械破碎的方法在低温下即可充分释放出来，更加简便易行。

图5 月球玻璃捕捉 He气形成 He气泡 (a) CE5月壤样品中的胶结物颗粒，由玻璃粘结钛铁矿和其他矿石碎片形成；(b)为(a)中所示长方形区域切片的透射电镜表征，钛铁矿颗粒的表面存在一层约50 nm厚的玻璃物质，玻璃物质中保存了大量He的气泡，包含的He浓度最高达到每立方纳米192个[36]

微陨石撞击导致的局域熔化有时没有产生足够多的熔融液体以粘结住周围的颗粒，就可能会产生附着在月球颗粒表面的各种粘结玻璃[58]。这些粘结玻璃可能是岩石颗粒自身受到撞击后部分熔化快速冷却形成的玻璃，也可能是熔化的液体飞溅或者流淌到其他岩石颗粒表面凝固形成的玻璃。这些粘结玻璃通常具有明显的熔化和液体流动的特征，比如外型圆润带有气孔的半球形颗粒，或者具有流动特征的一块覆盖物等。粘结玻璃改造了月壤颗粒的表面，在月壤样品中普遍存在。这些丰富的粘结玻璃和胶结物玻璃是月球表面微陨石撞击环境的记录者，也为研究月壤所保存的水和太阳风物质提供了重要样本。

3.4 月壤颗粒表面非晶层：非晶盔甲

月球上的玻璃物质还表现为月壤颗粒表面的非晶层。这种积累在颗粒表面的非晶层的厚度从几个纳米到上百纳米不等，如同是覆盖在岩石颗粒表面的一层盔甲。它们虽然很薄但却普遍存在，并且通常含有会影响光学性质的纳米铁，在研究月壤保存的太阳风物质和太空风化行为等方面发挥着重要的作用[15，24，59]。前面介绍的几种月球玻璃虽然具体的形成机制不同，但都属于从熔融液体冷却形成的玻璃物质。而月壤颗粒表面的非晶层则由另外两种明显不同的机制产生，分别为太阳风离子注入[10，11]和气相沉积，气相沉积又包括撞击导致的热蒸发沉积和太阳风辐照导致的离子溅射沉积[14，25]。

太阳风中的高速粒子(主要是H和He)会持续地注入到月壤岩石颗粒中，不断地破坏晶体结构，产生辐照损伤。辐照损伤层随着辐照时间的延长，从结晶良好的晶体到纳米晶，再到非晶和纳米晶复合，直至变成完全非晶的状态[10，60，61]。辐照非晶层的厚度和辐照的时间、岩石的抗辐照程度，以及太阳活动的强度等密切相关。由于辐照非晶层是由固态的晶体物质晶格破坏形成的，因此一般具有和基底的晶体物质类似的化学成分，仅仅会由于太阳风离子的选择性溅射产生微弱的成分偏差[59]。在对第一批返回地球的月壤样品的表征中，人们就发现大部分的月壤颗粒表面都存在几十到上百纳米厚的非晶层，并且厚度和太阳风离子的穿透深度一致，之后又有研究发现非晶层中含有太阳风物质，确认了辐照非晶层的存在[10]。辐照非晶层中保存了太阳风物质，注入的H离子还可能会产生OH基和纳米铁(图6)[56]。

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