Experimental data on the formation of nanophase iron in the lunar soil

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The formation of nanophase metallic iron (npFe0) in lunar regoliths, which is observed in the condensate films on the surface of mineral grains and in agglutinate glasses, is one of the signs of “space weathering” on the Moon under the influence of solar wind and micrometeorite bombardment. The paper presents the results of laser experiments simulating micrometeorite “impact” on basalt, olivine, pyroxene and some other types of targets. Numerous iron nanospherules that are often arranged into chains and clusters were found in the molten products of the “impact”. The experiments showed that npFe0 can be formed without the participation of implanted solar wind ions (hydrogen ions) as a reducing agent, as well as without iron condensation from shock-formed vapor. Similar clusters of nanophase metallic iron and chain structures are observed in the impact glasses of the lunar regolith and asteroid particles.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. М. Sorokin

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Kosygina St., 19, Moscow, 119991

М. V. Gerasimov

Institute of Space Research, Russian Academy of Sciences

Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Profsoyuznaya str., 84/32, Moscow, 117485

М. А. Zaitsev

Institute of Space Research, Russian Academy of Sciences

Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Profsoyuznaya str., 84/32, Moscow, 117485

V. D. Shcherbakov

Moscow State University named after M.V. Lomonosov

Email: egorgeohim@ya.ru

Faculty of Geology

Russian Federation, Leninskie Gory, 1, Moscow, 119991

К. М. Ryazantsev

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Kosygina St., 19, Moscow, 119991

S. P. Krasheninnikov

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Kosygina St., 19, Moscow, 119991

О. I. Yakovlev

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Kosygina St., 19, Moscow, 119991

Е. N. Slyuta

Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry, Russian Academy of Sciences

Email: egorgeohim@ya.ru
Russian Federation, Kosygina St., 19, Moscow, 119991

References

  1. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. (1970). Действие излучения большой мощности на металлы. М.: Наука, 272 с.
  2. Арискин А.А., Яковлев О.И., Бычков К.А. (2008) Импульсный нагрев конденсатов газово-пылевой небулы как механизм сопряженного образования силикатных хондр и металла. Проблемы зарождения и эволюции биосферы (под ред. Э.М. Галимова). — М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 345–364.
  3. Виноградов А.П., Нефедов В.И., Урусов В.С., Жаворонков Н.М. (1972) Рентгеноэлектронное исследование лунного реголита из морей Изобилия и Спокойствия. ДАН СССР. 2, 207.
  4. Маркова О.М., Яковлев О.И., Семенов Г.А., Белов А.Н. (1986). Некоторые общие результаты экспериментов по испарению природных расплавов в камере Кнудсена, Геохимия. (11), 1559–1569.
  5. Рощин В.Е., Рощин А.В. (2020) Общая электронная теориявосстановления (окисления) металлов. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 63(3–4), 271–285.
  6. Рэди Дж. (1974) Действие мощного лазерного излучения. М.: Мир, 468 с.
  7. Слюта Е.Н., Воропаев С.А. (1992) Малые и планетные тела Солнечной системы. Критическая масса ледяных тел. ДАН. 325(4), 692–696.
  8. Яковлев О.И., Диков Ю.П., Герасимов М.В., Влотска Ф., Хут Й. (2003) Экспериментальное изучение факторов, определяющих состав стекол лунного реголита. Геохимия. 5, 467–481.
  9. Яковлев О.И., Косолапов А.И., Кузнецов А.И., Нусинов М.Д. (1972) Результаты исследования фракционного испарения базальтового расплава в вакууме. ДАН СССР. 206, 4, 970–973.
  10. Яковлев О.И., Маркова О.М., Семенов Г.А., Белов А.Н. (1987) Об образовании металлической формы железа при нагревании хондритов. Метеоритика. 46, 104–118.
  11. Adams J.B., McCord T.B. (1971) Alteration of lunar optical properties: age and composition effects. Science. 171(3971), 567–71.
  12. Allen С.C., Morris R.V., Lauer H.V., Jr. McKay D.S. (1993) Microscopic Iron Metal on Glass and Minerals— A Tool for Studying Regolith Maturity. Icarus. 104, 291–300.
  13. Allen C.C., Morris R.V., McKay D.S. (1995) Experimental space weathering of lunar soils. Meteoritics. 30, 479–607.
  14. Basu A. (2005) Nanophase Fe0 in lunar soils. J. Earth Syst. Sci. 114(3), 375–380.
  15. Brunetto R., Romano F., Blanco A., Fonti S., Martino M., Orofino V., Verrienti C. (2006) Space weathering of silicates simulated by nanosecond pulse UV excimer laser. Icarus. 180, 546–554.
  16. Christoffersen R., Rahman Z., Keller L.P. (2012) Solar ion sputter deposition in the lunar regolith: experimental simulation using focused-ion beam techniques. In: Proceedings of the 43rd Lunar and Planetary Science Conference, 2614.
  17. Cisowski C.S., Dunn J.R., Fuller M., Rose M.F., Wasilewski P.J. (1974) Impact processes and lunar magnetism. In: Proceedings of the Fifth Lunar Conference Suppl. 5, Geochim. Cosmochim. Acta. 3, 2841–2858.
  18. Davoisne C., Leroux H., Frère M., Gimblot J., Gengembre L., Djouadi Z., Ferreiro V., d’Hendecourt L., Jones A. (2008) Chemical and morphological evolution of a silicate surface under low-energy ion irradiation. A&A. 482(2), 541–548.
  19. Dukes C.A, Baragiola R.A. (1999) Surface modification of olivine by H+ and He+ bombardment. J. Geophys. Res. 104, 1865–1872.
  20. Gerasimov M.V, Ivanov B.A., Yakovlev O.I., Dikov Yu.P. (1999) Physics and Chemistry of Impacts. In: Ehrenfreund, K. Krafft, H. Kochan, V. Pirronello (eds.), Laboratory Astrophysics and Space Research. Astrophys. Space Sci. 236, 279–330
  21. Gerasimov M.V., Dikov Yu.P., Yakovlev O.I. (2004) Reduction of W, Mn, and Fe, during high-temperature vaporization. In: Proceedings of the 35th Lunar Planetary Sci. Conf., 1491.
  22. Hapke B. (1973) Darkening of silicate rock powders by solar wind sputtering. Moon, 7, 342.
  23. Hapke B. (2001) Space weathering from Mercury to the asteroid belt. J. Geophys. Res. 106, 10039–10073.
  24. Hapke B., Cassidy W., Wells E. (1975) Effects of vapor-phase deposition processes on the optical, chemical and magnetic properties of the lunar regolith. Earth, Moon, Planets, 13, 339–354.
  25. Hartung J.B., Horz F., Gault D.E. (1972) Lunar microcraters and interplanetary dust. In: Proc. of the 3rd Lunar Science Conf. Suppl. 3, Geochim. Cosmochim. Acta. 3, 2733–2753.
  26. Housley R.M., Grant R.W., Abdel-Gawad M. (1972) Study of excess Fe metal in the lunar fines by magnetic separation, Mossbauer spectroscopy, and microscopic examination. In: Proc. Third Lunar Sci. Conf, Geochim. Cosmochim. Acta, Suppl. 3, 1, 1065–1076.
  27. Housley R.M., Blander M., Abdel-Gawad M., Grant R.W., Muir A.H. Jr. (1970) Mossbauer spectroscopy of Apollo 11 samples. In: Proc. Apollo 11 Set Conf, Geochim. Cosmochim. Acta, Suppl. 1, 3, 2251–2268.
  28. Housley R.M., Cirlin E.H., Goldberg I.B., Crowe, H. (1975) Ferromagnetic resonance as a method of studying the micrometeorite bombardment history of the lunar surface. In: Proc. 6th Lunar Sci. Conf. 3173–3186.
  29. Housley R.M., Grant R.W., Muir A.H. Jr. Blander M., and Abdel-Gawad, M. (1971) Mossbauer studies of Apollo 12 Samples. In: Proc. Apollo 11 Lunar Set Conf, Geochim. Cosmochim Acta, Suppl. 1, 3, 2125–2136
  30. Housley R., Grant R., Paton N. (1973) Origin and characteristics of excess Fe metal in lunar glass welded aggregates. Geochim.Cosmochim. Acta. Suppl. 4, 2737–2749
  31. Jopek T.J., Kaňuchová Z. (2017) IAU Meteor Data Center—the shower database: A status report. Planetary and Space Science. 143, 3–6.
  32. Keller L.P., McKay D.S. (1995) The Origin of Amorphous Rims on Lunar Soil Grains – Revisited. Meteoritics. 30(5), 526.
  33. Keller L.P., McKay D.S. (1993) Discovery of vapor deposits in the lunar regolith. Science, 261, 1305–1307.
  34. Keller L.P., Clemett S.J. (2001) Formation of nanophase iron in the lunar regolith. In: Poc. 32nd Lunar and Planetary Science Conference. 2097.
  35. Keller L.P., McKay D.S. (1997) The nature and origin of rims on lunar soil grains. Geochim. Cosmochim. Acta. 61(11), 2331–2341.
  36. Kissel J., Kruger F.R. (1987). Ion Formation by Impact of Fast Dust Particles and Comparison with Related Techniques. Appl. Phys. A 42, 69–85.
  37. Kuhlman K.R., Sridharan K, Kvit A. (2015) Simulation of solar wind space weathering in orthopyroxene. Planet. Space Science. 115, 110–114.
  38. Kurahashi E., Yamanaka C., Nakamura K., Sasaki S. (2002) Laboratory simulation of space weathering: ESR measurements of nanophase metallic iron in laser-irradiated materials. Earth Planets Space. 54, e5–e7.
  39. Lantz C., Brunetto R., Barucci M., Fornasier S., Baklouti D., Bourcüois J., Godard M. (2017) Ion irradiation of carbonaceous chondrites: A new view of space weathering on primitive asteroids. Icarus. 285, 43–57.
  40. Li Y., Li S.J., Xie Z.D., Li X.Y. (2016) Laser irradiated impact experiments show that nanophase iron particles formed by shock-induced melting rather than vapor deposition. 79th Annual Meeting of the Meteoritical Society, 6338.
  41. Loeffler M.J., Dukes C.A., Christoffersen R., and Baragiola R.A. (2016). Space weathering of silicates simulated by successive laser irradiation: In situ reflectance measurements of Fo90, Fo99+, and SiO2. Meteorit. Planet. Science. 51, 2, 261–275 (2016)
  42. Loeffler M.J., Baragiola A., Murayama M. (2008a) Laboratory simulations of redeposition of impact ejecta on mineral surfaces. Icarus. 196, 285–292.
  43. Loeffler M.J., Dukes C.A., Baragiola R.A. (2009) Irradiation of olivine by 4 keV He+: Simulation of space weathering by the solar wind. J. Geophys. Res. 114, E03003.
  44. Loeffler M.J., Dukes C.A., Chang W.Y., McFadden L.A., Baragiola R.A. (2008b) Laboratory simulations of sulfur depletion at Eros. Icarus. 195, 622–629.
  45. McKay D.S., Fruland R.M., Heiken G.H. (1974) Grain size and the evolution of lunar soils. In: Proceedings of the Fifth Lunar Conference, Supplement 5, Geochim. Cosmochim. Acta. 1, 887–906.
  46. McKay D.S., Heiken G.H., Basu A., Blanford G., Simon S., Reedy R., French B. M., and Papike J. (1991) The lunar regolith. In: Heiken G. H., Vaniman D. T., French B. M. (eds), The lunar sourcebook. Cambridge University Press, New York, 284–356.
  47. Moroz L.V., Fisenko A.V., Semjonova L.F., Pieters C.M., Korotaeva N.N. (1996) Optical effects of regolith processes on S-asteroids as simulated by laser shots on ordinary chondrite and other mafic materials. Icarus. 122, 366–382.
  48. Morris R.V. (1976) Surface exposure indices of lunar soils: A comparative FMR study. In: Proc. 7th Lunar Planetary Sci. Conf. Pergamon, New York, 315–335.
  49. Morris R.V. (1978) The surface exposure (maturity) of lunar soils: Some concepts and Is/FeO compilation. In: Proc. 9th Lunar Planetary Sci. Conf. Pergamon, New York, 2287–2297.
  50. Morris R.V. (1980), Origins and size distribution of metallic iron particles in the lunar regolith. In: Proc. 11th Lunar Planet. Sci. Conf. 1697–1712.
  51. Nagata T., Ishikawa Y., Kinoshita H., Kono M., Syono Y., Fisher R.M. (1970) Magnetic properties and natural remanent magnetization of lunar materials. In: Proc. Apollo 11 Lunar Sci. Conf, Geochim. Cosmochim. Acta, Suppl. 1, 3, 2325–2340.
  52. Noble S.K., Pieters C.M., Keller L.P. (2005) Evidence of space weathering in regolith breccias I: Lunar regolith breccias. Meteoritics & Planetary Science. 40, 397–408.
  53. Noble S.K., Pieters C.M., Keller L.P. (2007) An experimental approach to understanding the optical effects of space weathering. Icarus. 192(2), 629–642.
  54. Noguchi T., Kimura M., Hashimoto T., Konno M., Nakamura T., Zolensky M.E., Okazaki R., Tanaka M., Tsuchiyama A., Nakato A., Ogami T., Ishida H., Sagae R., Tsujimoto S., Matsumoto T., Matsuno J., Fujimura A., Abe M., Yada T., Mukai T., Ueno M., Okada T., Shirai K., Ishibashi Y. (2014) Space weathered rims found on the surfaces of the Itokawa dust particles. Meteoritics & Planetary Science. 49(2), 188–214.
  55. Pieters C.M., Noble S.K. (2016) Space weathering on airless bodies. J. Geophys. Res. Planets. 121, 1865–1884.
  56. Pieters C.M., Taylor L.A., Noble S.K., Keller L.P., Hapke B., Morris R.V., Allen C.C., McKay D.S., Wentworth S. (2000) Space weathering on airless bodies: Resolving a mystery with lunar samples. Meteorit. Planet. Sci. 35(5), 1101–1107.
  57. Runcorn S.K., Collinson D.W., O’Reilly W., Battey M.H., Stephenson A., Jones J.M., Manson A.J., Readman P.W. (1970) Magnetic properties of Apollo 11 lunar samples. In: Proc. Apollo 11 Lunar Sci. Conf., Geochim. Cosmochim. Acta. Suppl. 1, 3, 2369–2387.
  58. Sasaki S., Nakamura K., Hamabe Y., Kurahashi E., Hiroi T. (2001) Production of iron nanoparticles by laser irradiation in a simulation of lunar-like space weathering. Nature. 410, 555–557.
  59. Slyuta E.N., Physical and mechanical properties of the lunar soil (a review), Sol. Syst. Res. 2014, 48(5), 330– 353.
  60. Sorokin E.M., Yakovlev O.I., Slyuta E.N., Gerasimov M.V., Zaitsev M.A., Shcherbakov V.D., Ryazantsev K.M., Krasheninnikov S.P. (2020) Experimental Modeling of a Micrometeorite Impact on the Moon. Geochem. Int. 58(2), 113–127.
  61. Thompson M.S., Zega T.J., Howe J.Y. (2017) In situ experimental formation and growth of Fe nanoparticles and vesicles in lunar soil. Meteoritics & Planetary Science. 52(3), 413–427.
  62. Tsay F.D., Chan S.I., Manatt S.L. (1971) Ferromagnetic resonance of lunar samples. Geochim. Cosmochim. Acta. 35, 865–875.
  63. Yakovlev O.I., Dikov Yu.P., Gerasimov M.V. (2006) Experimental data on the thermal reduction of phosphorus and iron and their significance for the interpretation of the impact change of matter on the Moon. Geochem. Int. 9, 915–923.
  64. Yakovlev O.I., Dikov Yu.P., Gerasimov M.V. (2009) Effect of the disproportionation reaction of ferrous iron in impact-evaporation processes. Geochem. Int. 47(2), 134–142.
  65. Zaitsev M.A., Gerasimov M.V., Safonova E.N., Vasiljeva A.S. (2016) Peculiarities in the formation of complex organic compounds in a nitrogen-methane atmosphere during hypervelocity impacts. Solar System Research. 50(2), 113–129.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup for laser vaporization.

Download (111KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Crater profile with a diameter of about 6 mm and a depth of ~0.6 mm after laser “impact” on a basalt target. Absorption of high-energy radiation by vapor can lead to significant superheating of the vapor phase. Such absorption becomes effective at laser power densities above 108-109 W/cm2 (Anisimov et al., 1970; Rady, 1974). We used laser pulses with power densities around 106 W/cm2. In addition, the target was placed at an angle (approximately 45 degrees) to the optical axis, which directed the vaporized cloud away from the laser beam.

Download (69KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Samples of minerals and rocks after laser “shock”: (a) - ferruginous olivine, (b) - crystalline basalt, (c) - clinopyroxene (chrome diopside), (d) - orthopyroxene.

Download (235KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Fragment of a cross-section of a crater with a melting zone in a basalt sample (SEM, BSE). The crater was approximately 6 mm in diameter and 0.6 mm deep.

Download (256KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Cross section of the impact crater in the basalt glass sample (SEM). There are light-colored regions with chains and scatterings of npFe0 on the crater surface. The crater is approximately 6 mm in diameter and 0.6 mm deep.

Download (39KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6.Cross-section of a crater in basaltic glass with nano-iron chains (SEM): (a) - light-colored zone depleted of moderately and lightly volatile components; (b) - zone of intact basaltic glass.

Download (272KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7.Textures of npFe0 distribution on the crater surface in basaltic glass at different locations (a, b).

Download (994KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. (a) - metallic iron spherules (bright spots) and gas bubbles (dark spots) on the crater surface in basalt glass.(b) - bubbles on the crater surface in basaltic glass (“pancake” texture).

Download (816KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9.Nanophase iron globules (light inclusions) and gas bubbles (black dots) in peridotites (SEM) on images with different magnification (a, b).

Download (573KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Olivine crater zones (plan view, top): (a) olivine (chrysolite) crater zone in secondary electrons, light-colored formations are condensate flakes (SEM). These formations are distinguished both by morphology and composition - in secondary electrons they are visible as light spots, and in the BSE image as poorly distinguishable dark spots; (b) metallic iron spherules located along the faces of olivine crystals (SEM), formed from the melt; (c) large (>1 μm) metallic formations and scatterings of small npFe0 spherules on newly formed olivine crystals on the crater surface (BSE, SEM); (d) npFe0 in a spherical melt drop on the crater surface in olivine (reflected electrons, SEM).

Download (1MB)
Indexing metadata
12. Fig. 12: Laser-induced products on the chrysolite crater surface: (a) - general view of the chrysolite sample after the experiment; the red circle shows the approximate crater boundary (secondary electrons, SEM).(b) npFe0 spherules in the center (or at the top) of molten mountains (craters) on olivine crystal faces (secondary electrons, SEM).

Download (799KB)
Indexing metadata
13. Fig. 13: Scattering of iron spherules of different sizes in the crater of ferruginous olivine (reflected electrons, SEM).(a, b) - iron spherules on olivine crystals; (c) - iron spherules on glass; (d) - large iron spherules.

Download (1MB)
Indexing metadata
14. Fig. 14: A ferruginous olivine crystal with massive scatterings of npFe0 spherules. Elongated iron grains are observed, probably formed during solidification of the iron melt during olivine crystal growth (reflected electrons, SEM).

Download (432KB)
Indexing metadata
15. Fig. 15: Textures of npFe0 chains and placers on the crater surface in a Cr-diopside sample at different magnifications (a, b) (reflected electrons, SEM).

Download (466KB)
Indexing metadata
16. Fig. 16.Reduced iron in orthopyroxene: (a) - chain textures of npFe0 on the crater surface (SEM); (b) - dendrites of metallic iron on the crater surface (backscattered electrons, SEM).

Download (871KB)
Indexing metadata
17. Fig. 17: Stability diagram of metal oxides as a function of temperature and oxygen partial pressure.

Download (126KB)
Indexing metadata
18. Fig. 18. Grain of lunar agglutinate with different zones containing npFe0 placers and chains. Lunar soil sample delivered by the Luna-20 spacecraft. The samples were kindly provided by S.I. Demidova from the Laboratory of Meteoritics of GEOHI RAS.

Download (432KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».