TESCAN TIMA 助力“嫦娥五號”細粒月壤研究

——更高效、更便捷、更準確的表征和分析其礦物學-化學成分特征

編者薦語：泰思肯（TESCAN）榮幸與西北大學合作。TESCAN TIMA 自動綜合礦物分析系統(tǒng)以場發(fā)射掃描電鏡為平臺，結(jié)合EDS和專業(yè)分析軟件，可更快速、更精準的識別礦物，并對研究樣品進行基礎(chǔ)礦物學表征和化學分析，在“嫦娥五號”細粒月壤樣品研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。感謝西北大學、桂林理工大學等單位，期待未來更多合作。

作者：宋文磊、陳宏毅等

原文：

月壤是月球樣品返回研究及遙感觀測的直接對象，對我們了解月球的物質(zhì)組成、形成和演化歷史以及月球資源利用等具有重要意義。月壤在形成過程中經(jīng)歷了反復(fù)破碎、壓實、熔融和膠結(jié)等演化過程，致使其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)均十分復(fù)雜，且月壤粒徑極細小，多以微米（μm）尺度為主。傳統(tǒng)的礦物學分析方法在研究和表征月壤礦物化學特征中相對耗時耗力，且準確度會因主客觀因素有所波動。近年來逐漸興起的基于高分辨率場發(fā)射掃描電鏡-多能譜系統(tǒng)并結(jié)合計算機圖形和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的礦物自動定量分析系統(tǒng)，可實現(xiàn)對復(fù)雜地質(zhì)樣品進行礦物種類、含量、成分、粒度、形態(tài)、共生關(guān)系和元素賦存狀態(tài)等礦物化學參數(shù)進行微區(qū)原位的快速統(tǒng)計分析。

近日，西北大學地質(zhì)學系、西北大學-香港大學地球與行星科學聯(lián)合中心博士生陳倩、宋文磊副教授與桂林理工大學地球科學學院陳宏毅教授等合作利用礦物自動定量分析系統(tǒng)

（TIMA）對近8萬顆“嫦娥五號”細粒月壤樣品實現(xiàn)了快速、量化且準確的礦物相特征參數(shù)表征，并成功定量了細粒月壤的化學組成，為未來稀少地外返回樣品的精細礦物學研究及準確化學定量提供了新的測試方法。研究成果近期發(fā)表在國際光譜學專業(yè)期刊《Atomic Spectroscopy》上（Automated Fast and Quantitative Mineralogical Characterization of Chang’e-5 Lunar Soils. https://doi.org/10.46770/AS.2024.202）。

圖1 TIMA統(tǒng)計的不同粒徑月壤顆粒偽彩礦物相圖、礦物含量和主要礦物共生關(guān)系圖

研究人員利用西北大學地質(zhì)學系大陸動力學國家重點實驗室的礦物自動定量分析系統(tǒng)（捷克TESCAN TIMA-X GMH，TIMA）采用點陣模式對“嫦娥五號”細粒月壤樣品進行掃描分析（較傳統(tǒng)掃描模式，該掃描模式在保證高效分析的同時所得數(shù)據(jù)更加精準），TIMA在45個小時內(nèi)快速識別出79604顆粒徑大于2μm的月壤顆粒，其分析所得礦物類型和含量占比數(shù)據(jù)與前人通過XRD和激光拉曼分析結(jié)果基本一致（圖1）?；诘V物含量及其化學成分計算的月壤全巖化成組成，也與前人通過XRF、INAA和ICP-MS獲得的測試結(jié)果高度一致。與此同時，TIMA定量統(tǒng)計的礦物共生關(guān)系顯示輝石、斜長石、橄欖石和鈦鐵礦等礦物密切共生（圖1），表明樣品主要為嫦娥五號著陸區(qū)當?shù)匦鋷r破碎再膠結(jié)的產(chǎn)物。研究工作中作者進一步統(tǒng)計了月壤顆粒粒徑分布特征以及礦物種類、含量和顆粒整體化學組成隨粒徑的演化趨勢（圖2）。此外，TIMA還可針對磷灰石、鋯石、隕硫鐵等某月壤次要礦物進行快速（結(jié)構(gòu)和成分等）篩選并定位或歸類，為更進一步的微區(qū)微束分析（如TEM、EPMA、LA-MC-ICPMS和SIMS等）提供關(guān)鍵礦物學數(shù)據(jù)參考。

圖2 月壤顆粒粒徑分布直方圖以及礦物含量、顆?；瘜W組成與粒徑的變化趨勢圖

該研究表明利用TIMA測試能較傳統(tǒng)礦物學手段更快速準確的獲取小粒徑（<20微米）地外樣品的結(jié)構(gòu)化學組成，并將其礦物產(chǎn)出狀態(tài)和成分特征密切關(guān)聯(lián)，在較少樣品損耗情況下獲取對原始月巖物質(zhì)特征及月壤演化規(guī)律的系統(tǒng)認識。同時，TIMA分析還可獲得不同粒度巖屑、礦屑、玻屑的形態(tài)特征和分布規(guī)律，為未來載人登月和資源原位利用等航天工程提供重要參考。綜合來看，包括TIMA在內(nèi)的礦物自動定量分析技術(shù)是實現(xiàn)細粒地外樣品微區(qū)礦物結(jié)構(gòu)和化學分析的新方法，具有高效，便捷，微區(qū)等分析優(yōu)勢，極大地節(jié)約了對海量細粒月壤顆粒進行研究的時間和人力成本，可作為月壤等地外天體返回樣品研究流程的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。

圖3 月壤顆粒中隕硫鐵的單礦物形態(tài)特征和成分變化規(guī)律

致謝西北大學郭壯副教授、黃康俊教授、袁洪林教授、博士生許丹妮和王星，中國地質(zhì)大學（武漢）汪在聰教授和李毅恒博士以及泰思肯公司的Marek Dosbaba博士、Eligiusz Gugala博士以及胡軼工程師等也參與了該研究工作。樣品得到國家航天局嫦娥五號返回月球樣品的支持（CE5C0200和CE5C0400），該研究得到國家自然科學基金項目（42130102，42273070和42473051）的資助。

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