小行星作为太阳系早期形成的遗迹,保存了大量原始物质。特别是碳质小行星,以其富含有机物质和水合矿物的特性,在揭示行星演化和生命起源方面具有独特价值。日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)携手开展的隼鸟2号(Hayabusa2)任务成功回收了龙宫(Ryugu)小行星约5.4克未受地球环境污染的原始样本,为研究太阳系起源提供了宝贵样本基础。近期利用同步辐射X射线先进技术对龙宫样本进行了细致分析,揭示了不可见的内部化学结构和矿物演化过程,扩大了我们对小行星物质成分与流体演变的认知。 同步辐射X射线显微荧光计算机断层扫描(Pink-Beam Fluorescence CT)和"温和"能量X射线吸收微谱技术成为此次研究的核心。这些非侵入式的微观分析方法突破了传统需切割样本的局限,实现了在不破坏珍贵样本的前提下,获取亚微米至微米级别的元素分布与化学价态信息。
Pink-Beam荧光CT利用高通量的多色X射线束扫描,绘制出样本中重金属(如铁、锰、硒)的三维空间分布,兼具高分辨率和深层穿透力;而"温和"能量X射线微谱则聚焦于较轻元素(如硫、磷、钙、镁等)的吸收与发射特征,捕获元素的化学成态和局部结构,为材料的矿物学归属提供重要线索。 经过精密检测,龙宫样本中的锰主要以碳酸盐矿物形式存在,其中锰丰富的白云石(MgCa(CO3)2)是样本中的主力矿物,并伴有少量早期形成的磷灰石(FeCa(CO3)2)。铁则以硫化物和氧化物两大形态存在,其中铁硫化物主要表现为大型单晶粒和分布于细颗粒基质中的小颗粒,硫化铁矿(pyrrhotite)为主要成分。较为独特的是,铁硫化物在5微米尺度上并未表现出与其他碳质陨石中常见的复杂矿物异质性,而是展现出局部氧化的非均匀性,显示了其经历了部分氧化替代过程。此外,铁矿物表现出氧化物与硫化物的交织结构,暗示这些矿物经历了不完全的替换反应,反映出样本所处环境矿物稳定性和流体活动的复杂性。 硒元素作为硫的化学近亲,在硫化铁矿中以微量替代硫的位置存在。
同步辐射的微区域X射线吸收谱分析显示,硒主要以硒化物状态出现,只有极少量氧化硒,这与硫的状态类似但氧化程度更轻微。铜元素在样本中以含铁较低的铜硫化物形式分布,常与硒共现,呈现出明显的特征荧光热点。镍元素则较稀释,散布于细颗粒基质中,且几乎不出现在大型富铁的氧化物和硫化物颗粒中,体现了矿物组分对元素分布的明显控制。 硫在龙宫样本中表现多样,大型硫化物矿粒与更细小的基质硫化物广泛存在。微观X射线吸收谱揭示主要硫化物为硫化铁矿,伴有分散的硫酸盐和少量尚未明确的中间氧化态硫种类,如二硫化物或有机硫化合物。这些硫酸盐的空间分离及其在样本固定位置的分布模式,提示了流体介导下硫的氧化和迁移历史,尤其是样本经历了复杂的氧化还原循环。
排除大气暴露或辐射束引起的人工氧化后,推测硫的部分氧化是小行星母体早期或中期流体活动的产物,揭示了该天体演化过程中多阶段、多性质流体的参与。 从矿物学角度观察,铁丰富的粒子形态多样,既有圆润较大的块体,也存在棱角明显的棱柱状或板状晶体,后者常由氧化物和硫化物交织构成。铁氧化物以磁铁矿为主要代表,呈绒球状或无线粒重结晶特征,反映流体介导的再结晶过程。矛盾的是,相对大块的硫化铁矿结晶粒,细颗粒基质中的硫化物保存较为完整,表明不同规模的铁硫化物受流体改造程度和时间窗口存在差异。矿物的化学替代与复合反映了小行星经历的多轮化学演变以及不同流体环境的交替作用。 碳酸盐矿物在样本中占据重要地位。
大多数碳酸盐含量丰富的锰和钙,主要以白云石为代表,具有Mn2+的化学价态特征,此外伴随少量铁质白云石。钙的X射线吸收谱进一步区分了白云石与磷灰石矿物,彰显流体成分差异及时代序列差异。同时,锶作为钙的地球化学伴生元素,在样本中表现为微量元素,局部分布呈现锶元素向晶粒中心集聚的分区现象,表明碳酸盐形成过程中的溶液成分及结晶动力学信息。算上均匀的锰与铁含量,推测碳酸盐矿物形成过程经历了从含铁较高到较低的流体环境变化,指向流体氧化还原与元素迁移的动态调控。 此外,矿物中的磷主要以少数局部热点形式存在,对应于磷酸钙矿物磷灰石,反映了小行星物质系统中磷元素的局部富集机制。一些区域的磷不伴随钙,可能关联有机磷或其他无机磷矿物,提示复杂的磷化学存在。
硅主要聚集在细颗粒含水层状硅酸盐矿物中,且在大块矿物中并不常见,揭示了样本基质矿物的富硅性和含水矿物的丰富分布。 此次研究的特殊意义还在于通过非侵入式的先进X射线微探测技术,实现了精细尺度上对行星样本的高灵敏度元素以及化学状态分布的无损成像,实现了样本最大程度的保存及后续多模式检测的可能性,为未来小行星和彗星样本的综合分析树立了标杆。研究不仅深化了对龙宫及类似碳质小行星材料的矿物组成与演化的理解,更为太阳系早期水化流体活动、矿物形成时序及行星化学演化进程的揭示提供了关键证据,此亦对太阳系行星之间的物质交换与有机分子前体形成等关键科学问题产生深远影响。 综合来看,龙宫样本所呈现的复杂元素分布特征和矿物多样性,充分体现了其母体小行星上经历的多期流体作用及局部氧化环境的多样演变。流体驱动的矿物部分氧化过程、碳酸盐的演替形成、硫化物微观氧化态的异质性以及微量元素带来的成矿环境信息共同构建出一个动态复杂的化学历史框架,为理解碳质小行星及其演化机制提供了坚实的实验支撑。 未来研究可以利用更高分辨率和多色谱仪结合的技术,进一步阐明有机元素、矿物相互作用和宇宙射线影响过程,以及更多元素的化学与矿物学特征。
与陨石、彗星尘埃及其他小行星样本进行对比,有助于构建太阳系多环境物质演化整体图谱,促进原始太阳系物质演化与生命起源研究的跨学科发展。 通过对龙宫小行星样本的化学与矿物学精细表征,科学界得以窥见早期太阳系中原始物质的复杂演变历史,也为未来在小天体探索和行星资源利用奠定了坚实的基础。这样的非侵入式X射线微分析技术,必将在宇宙样本的研究和行星科学的探索中扮演越来越核心的角色。随着多地样本返回任务和新探测技术的发展,我们期待揭开更多太阳系远古时代的奥秘,推动人类对宇宙起源的认知迈上新台阶。 。
