[发明专利]模拟地外空间热环境对天体表层矿物微观结构改造的方法

说明书

本发明提供了模拟地外空间热环境对天体表层矿物微观结构改造的方法，包括以下步骤：利用双束电镜的原位制样功能将地外样品的微区目标提取出来，将提取出的样品固定在加热芯片的观测窗口，制成透射电镜样品；将透射电镜样品的加热芯片安装于透射电镜配备的加热样品杆上，置于透射电镜的样品腔内，通过透射电镜的原位加热技术来模拟地外天体表面的热演化过程，并在热演化过程中实时观测样品中矿物相的微观结构。本发明可在模拟地外空间热环境对地外样品中矿物相的改造过程中实现对矿物相变化情况的实时观测，为地外星系热演化过程的推演、量化地外星系表层物质演化过程的研究以及地外探测器观测数据的解译等研究工作提供技术支持。

技术领域

本发明属于行星科学和行星探测领域，涉及一种模拟地外空间热环境对天体表层矿物微观结构改造的方法。

背景技术

探究地外样品中矿物微观结构的演变成因，一直是行星科学领域的重要科学问题之一。对于地外星系而言，由于星球表层缺乏大气层的保护，星球表面的温差较大，导致星体(例如火星、月球)在早期岩浆洋分异结晶演化的后期，在接近星体表层的区域有很多亚稳态的矿物相及其受热环境影响而分解形成的后成合晶矿物相被保存了下来。通过研究地外星体表层矿物相的热解和变质过程，可追溯早期星体表层的热演化过程，量化温度区间和冷却速率等关键参数，有助于进一步了解太阳系早期演化的热历史。

由于亚稳态矿物相的特殊性，其需要快速结晶并急速降温才能被保存下来，在地球上无法找到天然的亚稳态样品作为研究对象。为了推演地外体系的热演化过程，研究者通常选取具有特殊结构的地外样品进行分析。但是，地外样品的结构普遍是演化结束后的产物，代表的是最终状态，无法准确量化热演化过程的初始条件，给推演模型带来了一定的难度和不确定性。

为了摸索矿物相发生热变质的参数条件，在上世纪70年代，曾有研究者尝试用烧结炉在常压真空环境下，以人工合成的单一矿物作为初始物，对样品进行长达几天的加热试验。例如，为了观测三斜铁辉石的热分解，需要在990℃的条件下恒温至少3天。但该方法的过程繁杂、耗时长，无法实时观测热分解过程矿物相的变化情况，为了达到极速降温条件，需将样品从990℃的高温环境中直接取出置于水中淬火，具有一定的危险性。

另外，因纳米铁颗粒普遍存在于月球样品、球粒陨石等地外样品中而被认为是太空风化的代表产物之一，其形成原因包括：太阳辐射、微陨石撞击以及星体内部岩浆喷发至星体表面带来的热蚀变等。纳米铁颗粒的存在是影响天体表层物理和光学性质的重要因素，了解纳米铁颗粒的成因机制有助于正确解译地外探测器的观测数据。近年来，甚至在一些小行星的无球粒陨石里也发现了纳米铁颗粒。然而，对于这些纳米铁颗粒的成因机制的认识目前还是匮乏的。为了探讨纳米铁颗粒的成因机制，现有技术常用脉冲激光器轰击样品表面来模拟微陨石撞击，但激光的高能量会使样品表层先受热熔融再形成纳米铁颗粒。一方面，该方法不能准确量化温度、热持续时间等热演化过程的初始条件；另一方面，该方法无法解释非熔融环境下纳米铁颗粒的形成原因。这也给推演模型带来了一定的难度和不确定性。

基于对嫦娥5号带回的月壤样品的认识，其表征特点极为复杂，微米级颗粒样品从表层到内部都遗留了大量的空间环境(例如太空风化、热环境)对物质改造的痕迹。因此，准确模拟地外天体表面的热演化过程并在该过程中实时观测样品表层甚至内部的矿物相微观结构的变化情况，是量化地外星系热演化过程的初始条件、探讨地外星系中纳米铁颗粒的成因机制的重要基础，对于推演地外星系的热演化过程、研究地外星系表层物质的演化过程、解译地外探测器的观测数据等都具有十分重要的意义，可为我国深空探测任务返回的样品或陨石样品在模拟热环境中原位分析提供技术支持。

发明内容

针对现有模拟地外样品热演化技术的不足，本发明提供了一种模拟地外空间热环境对天体表层矿物微观结构改造的方法，以在模拟地外空间热环境对地外样品中矿物相的改造过程中实现对矿物相变化情况的实时观测，为地外星系热演化过程的推演、量化地外星系表层物质演化过程的研究以及地外探测器观测数据的解译等研究工作提供技术支持。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：