太空风化是暴露在严苛的太空环境中的天体表层所经历的一系列变化过程的总称，主要包括陨石和微陨石的轰击，以及太阳风粒子和银河宇宙射线的辐射等。在太阳系之中，太空风化作用主要发生在水星、月球、火星卫星以及小行星等无大气行星体表面。太空风化使这些天体的表壤发生非晶质化，形成囊泡结构和纳米单质铁，并强烈地改造其光谱特征（Pieters and Noble, 2016）。
陨硫铁（FeS）是地外样品中的常见矿物，其中
S是挥发性元素，它在太阳星云凝聚以及后期热事件等过程中会发生明显的迁移和分馏。另外，地外样品的S含量的研究是制约地球早期S的含量和生命演化重要途径。但是，太空风化引起的S亏损可能会影响无大气行星体的原始S丰度分析。因此，陨硫铁的空间风化模式对于了解小行星的动力学、早期太阳系的遗迹及其对陆地行星生命演化影响至关重要。之前的太空风化研究表明陨硫铁在太空风化作用下几乎不会发生改变，但有模拟实验结果却表明离子辐照可以改变它的结构和化学组成。迄今为止，这一问题仍然没有定论。
2010年日本“隼鸟”号采集的Itokawa小行星样品为研究矿物的太空风化提供了关键样品。近日，日本九州大学文理学院的Toru Matsumoto及其合作者对Itokawa颗粒开展了陨硫铁太空风化的电子显微学研究，成果发表于Nature Communications。他们发现：
（1）大多数FeS颗粒表面存在明显的金属铁晶须（纤维状铁晶体），尺寸从几十纳米到几微米不等，尖端较小（图1）。
（2）铁晶须属于bcc结构，和FeS之间没有明显的取向关系，偶尔含有少量Ni；每个晶须由一个铁晶体或晶体取向略有不同的几个子晶构成（图2）。
（3）带有晶须的FeS颗粒表面大多存在近平行的鳞片状的小泡通道（图3a），这些结构垂直于FeS的c轴而伸长（图3a、图3b）。而SEM图中没有明显囊泡结构的FeS内部还有囊泡出现，深度可以到50 nm（图3c）。另外，表面具有开放囊泡的区域中的Fe/S比增加，而带有内部囊泡的表面具有比较恒定的Fe/S比。
（4）铁晶须、FeS和硅酸盐表面覆盖一层厚约7-15 nm的富O和Si的风化层（图2c、图2d）。FeS表面包含O、Si和Mg，甚至还包含Na、Cl和Ca。这些边缘可能是由太阳风溅射或微陨石撞击所产生的气相沉积层。
图1 Itokawa小行星颗粒表面形貌。a-c.陨硫铁表面上不同尺度的晶须的二次电子图像，FeS表面的黑点是开放的囊泡，c可以观察到从囊泡到非囊泡结构的逐渐变化；d.沿特定方向拉长的薄板结构的二次电子图像，晶须用箭头表示（Matsumoto et al., 2020）
图2 金属铁晶须的精细结构分析。a.晶须的TEM明场像；b.晶须整个区域的选取电子衍射；虚线环的半径对应于bcc结构铁平面的晶面间距；c.Si（绿色）、S（青色）和Fe（品红色）的面分布图； d.O（品红色）和Ni（绿色）的面分布图；e-f.侧面观察（电子束几乎平行于陨硫铁表面）FIB截面中较细晶须的TEM明场像和暗场像（Matsumoto et al., 2020）
图3 陨硫铁表面结构图。a-b.具有开放囊泡的陨硫铁表面的TEM-BF图像及对应的选取电子衍射；c-d.具有内部囊泡结构的陨硫铁的HAADF-STEM图像，可以观察到有铁晶须，下方的深色斑点对应于囊泡；d.对应于图c中圆圈区域的选取电子衍射，黄色为金属铁的衍射斑（Matsumoto et al., 2020）
基于以上分析结果，作者认为铁晶须最合理的形成机制是从固体基质中直接生长。捕获在囊泡中的H2气在太阳加热下可能发生下列反应：
FeS + H2 = H2S + Fe2+ + 2e-
其中H由太阳风提供，生成的H2S气体沿亚晶界、裂缝或开放的气泡释放。这一反应会导致陨硫铁颗粒的硫不断消耗和Fe2+过饱和。过量的Fe2+最终与自由移动的电子结合（Fe2+ + 2e- = Fe0）被还原为金属铁（Fe0）。持续的S损失和Fe2+的还原使得金属铁晶须不断生长。作者推测控制晶须生长的另一个重要因素可能是陨硫铁和金属铁之间热膨胀性质差异引起的金属铁的压应力释放，这是由Itokawa小行星自转过程中热循环导致的。
该项研究表明陨硫铁受离子辐照容易分解，太阳风辐射导致FeS中的S亏损，进而造成全岩样品的S丰度下降，说明太空风化作用对于行星际和星际环境中铁和硫的分配起着重要作用。此外，铁晶须这一新的太空风化特征，可能成为解释无大气天体表面演化历史的独特指标，同时为Hayabusa 2和OSIRIS-Rex返回的C型小行星样品的研究提供借鉴。
主要参考文献
Matsumoto T, Harries D, Langenhorst F, et al. Iron whiskers on asteroid Itokawa indicate sulfide destruction by space weathering[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1117. （链接）
Pieters C M, Noble S K. Space weathering on airless bodies[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2016, 121(10): 1865-1884.（链接）
（撰稿：谷立新/科技平台 | 审校：胡森/地星室）
