细川小行星的太空风化：纳米离子探针-透射电镜综合研究

Asteroid Itokawa samples supply with a unique opportunity for study of space weathering on asteroids, which cause differences between the remote sensing data and the reflectance spectra of meteorites. We propose a NanoSIMS-FIB-TEM combined study of asteroid Itokawa samples, in order to clarify the space weathering processes. A total of 13 Itokawa grains, including at least three grains of each olivine, low-Ca pyroxene, high-Ca pyroxene and plagioclase, are requested. Topography and compositions of the surfaces of all selected grains will first be analyzed with FE-SEM and EPMA. After that, two or more 1 um thin slices will be cut from the most outer surface layer of each grain with FIB. The slices will be analyzed in a high spatial resolution imaging model of nanoSIMS 50L, with a 10x10 um2 area for 1H, 2H, 12C, 16O, 17O, 18O, 19F and another 10x10 um2 area for 24Mg, 25Mg, 26Mg, 28Si, 29Si, 30Si, 14N16O, in order to determine solar wind components and isotope fractionation of O, Mg and Si. Element mapping of Si, Mg, Fe, Ca, Al, Cr, Na, K and S will be conducted on the surface of the remained grains by nanoSIMS, to determine chemical compositions of possible recondensed materials. Before all materials of the slices sputtered out by nanoSIMS, the remained thin slices will be observed with TEM to determine formation of nano-particles and amorphization of the minerals. The combined nanoSIMS analyses and TEM observation will clarify the space weathering processes on asteroids. In addition, This study will establish ahead key analytical techniques ready for the lunar samples returned by the Chang'e Program in 2017.

太空风化作用是造成小行星探测遥感光谱与陨石反射光谱显著差异的最主要原因，而细川小行星样品为研究这一过程提供了唯一的机会。本项目将集成纳米离子探针(nanoSIMS)-聚焦离子束(FIB)-TEM等技术，通过对细川小行星样品的研究，揭示其太空风化过程。申请者向日本JAXA申请13颗细川小行星主要矿物的微粒样品。使用FE-SEM和EPMA分析这些颗粒的形貌和组成，然后利用FIB从每个颗粒最表层至少切割出2片1 um厚的切片。利用nanoSIMS对切片分别做H, N, F，以及O, Mg, Si等同位素分析，以检测太阳风组分和同位素分馏。利用nanoSIMS对颗粒剩余部分的表面做元素成像分析，以测定可能存在的再凝聚物质的组成。对切片的剩余部分，将利用TEM发现纳米微粒和矿物的非晶质化现象。该研究将揭示小行星带的太空风化过程，并对我国月球探测采集的月壤样品的科学研究提供关键的技术支撑。

我国将于2017年从月球采样品返回，主要为极细的月壤尘粒，除携带月球形成与演化信息外，还记录了太阳风的物质组成和月表的太空风化历史。本项目开展了三方面的研究：返回月壤样品的关键分析技术、阿波罗15月壤样品的太空风化、以及嫦娥3号探测数据的解译和雨海盆地的月壤形成与火山喷发历史。在月壤样品关键分析技术研发方面，实现了微米颗粒样品的操作，包括超薄切片与FIB二种方法制备TEM样品；建立了纳米离子探针深度剖面分析技术，深度分辨达到2 nm，将用于月壤样品中注入的太阳风H, C, N等分析；将H的本底降低至5 ppm，满足贫水月球样品水含量和H同位素组成的分析要求；实现了硫化物S同位素与微量元素的高精度和高空间分辨多接收分析，34S/32S比值的分析精度达到（1sd）0.3 ‰ (5 um), 0.5 ‰ (2 um), 1 ‰ (0.5 um)；实现了硅酸盐、磷酸盐、锆石稀土等微量元素的高质量分辨分析，空间分辨达到10 um；建立了全面综合的锆石分析技术，在空间分辨好于1-2m的条件下，实现对微细锆石颗粒的U-Pb定年、稀土等微量元素图像分布、Ti温度计、O同位素组成等综合分析；提出了纳米晶体粉未烧结法，研制标准样品的新思路，并合成出完全均一的方解石晶体，解决了离子探针分析的主要瓶颈。在阿波罗月壤样品研究中，不仅证实矿物颗粒表层受太空风化形成非晶质层和纳米金属铁颗粒，并且首次发现纳米SiO2小球，可能形成于微陨石的撞击过程。基于嫦娥3号月球车的探测数据，获得着陆区雨海盆地月壤的矿物组成、12种元素化学组成、太空风化特征等；该月壤由下伏玄武岩风化形成，并且是一种新的玄武岩；探测出该区域月壤的厚度达5米，明显高于之前的估计（2-4米），表明月壤的厚度可能被低估；探测出下伏3层玄武岩，并且最上层年青的玄武岩（～22亿年）厚度达195米，揭示了该区域异常活跃的岩浆演化历史。