纳米尺度下锆石高压相莱氏石向颗粒化锆石转变的关键证据
我所赵佳伟博士关于锆石高压相莱氏石向颗粒化锆石转变的关键证据的相关研究成果发表在行星科学国际主流期刊《Earth Planetary Science Letters》上，论文的通讯作者为中国地质大学（武汉）行星所肖龙教授，为IODP 364航次科学家团队唯一中方成员。第一作者为中国地质大学（武汉）赵佳伟博士，合作者包括燕山大学胡文涛研究员、张祥博士生、常雨晴博士生，澳大利亚科廷大学Aaron Cavosie教授，Nick Timms副教授，Nemchin Alexander教授，中山大学肖智勇教授，北京高压科学中心束今赋研究员等。论文的下载链接为https://doi.org/10.1016/j.epsl.2023.118507。
锆石是地壳中最常见的副矿物，它可以有效地记录地质过程和历史。同样的，遭受撞击作用的锆石也能记录行星表面的撞击过程和历史。锆石在撞击作用下可以形成不同的变形和相变，包括脆性变形、塑性变形、高压相相变（莱氏石Reidite）、锆石双晶化、锆石颗粒化和锆石熔融分解等（Zhao et al., 2021）。每一种变形和相变现象都对应于冲击变质的条件和环境，是恢复撞击变质动力学过程的重要指标。其中，大部分变形现象都有较为确定实验结果的制约，而对颗粒化锆石的形成机制存在两种截然不同的观点。第一种模型认为颗粒化锆石的形成是与锆石在高压下相变为莱氏石以及高温下莱氏石退变的过程有关(Cavosie et al., 2018)；第二种模型认为是与高温下锆石的熔融分解再结晶有关(Kovaleva et al., 2021)。通常情况下，由于缺少相转变过程的中间产物，这两种模型的合理性难以区分。另外，颗粒化锆石的系统性取向（微米级锆石小颗粒的c轴呈三组相互垂直的关系）的形成过程也存在争议，因而需要在纳米尺度下寻找高压相形成和退变的证据。
墨西哥湾希克苏鲁伯撞击坑（Chicxulub impact structure，直径200 km）是地球上最大的撞击构造之一，该撞击构造的形成对地壳结构的改造、对生态环境和生命演化等都具有深远的影响。撞击形成的各种变质岩被很好地保存在撞击构造中，是研究撞击过程及其冲击变质作用极好的对象。中国地质大学（武汉）肖龙教授作为IODP-364航次的科学家成员，获得了丰富的岩心样品。本研究系统研究了该撞击构造峰环处撞击熔融角砾岩样品，发现了锆石存在大量不同类型的变形和相变现象。通过对发育莱氏石（锆石高压下的相变产物）的锆石和颗粒化锆石（Zhao et al., 2021）开展透射电镜和透射菊池衍射分析，发现了片晶状和透镜状莱氏石以及双晶化的莱氏石，首次在莱氏石片晶中找到了局部颗粒化锆石的证据，这些局部颗粒化锆石和莱氏石片晶共生的产状以及取向特征，证实了莱氏石退变可以导致颗粒化锆石具有系统性的取向（图1−2）。
图1 发育莱氏石片晶的锆石的聚焦离子束切片。a,带衍射图（BC），莱氏石呈深灰色片晶状（R1和R2），锆石主晶为灰色；b，背散射衍射图（BSE），莱氏石片晶呈灰白色，锆石主晶呈灰色；c,阴极发光图（CL），莱氏石片晶呈暗色；d−e,二次电子图(SE),聚焦离子束切割位置和切片形态。
本研究发现的莱氏石和颗粒化锆石(granules)的共生现象代表了颗粒化锆石形成的最初始阶段（图2）。在莱氏石和颗粒化锆石共生的区域还出现了斜锆石，这说明莱氏石在退变的过程当中伴随着分解的过程（图2−3）。斜锆石（zirconia）的出现可能是在撞击压力释放阶段，莱氏石内部结构损伤使二氧化硅快速丢失导致的，或者莱氏石高温下发生分解导致的。
图2 局部退变的莱氏石片晶的透射菊池衍射特征。a,带衍射图(BC)，莱氏石片晶中发育局部颗粒化的锆石；b,取向分布图(IPFz)，图中颗粒化锆石主要含有两组不同的取向特征，第一组为退变成锆石主晶的取向，第二组为垂直锆石主晶c轴的取向；c−d为局部放大图。透射菊池衍射面扫设定的步长为10 nm。
图3 锆石高压相莱氏石片晶局部退变的高角度环形暗场图（HAADF）。a,莱氏石局部退变成颗粒化锆石和锆石纳米层(zircon layers or boundary layers)；b，局部放大图；c，莱氏石逐渐退变成颗粒化锆石，形成港湾状结构；d，莱氏石局部分解形成斜锆石（zirconia）和二氧化硅或纳米孔隙（Silica glass or voids）。
本研究中在相同撞击熔融角砾岩中发现的其他部分颗粒化锆石和完全颗粒化锆石也都具有系统性的颗粒取向关系(Zhao et al., 2024)，进一步支持了不同含量的莱氏石向颗粒化锆石转变过程的成因模型。其中，纳米尺度和微米尺度的锆石颗粒取向具有一致性，说明颗粒化锆石的系统性取向在颗粒成核的过程就已确定（图1），撞击后期改造阶段中静态的颗粒生长对整体取向特征没有明显影响。本研究提供了锆石相转变和取向系统性变化的直接证据，对地球和行星表面撞击条件下锆石的相转变历史具有启示意义(Zhao et al., 2024)。
本研究得到了国家自然科学基金项目（41772050，41830214，42050203，42241108）、国家重点研发项目（2023YFB3711300）、留学基金委公派留学项目（202006410083）的资助。
参考文献
Cavosie, A.J., Timms, N.E., Ferrière, L., Rochette, P., FRIGN zircon—The only terrestrial mineral diagnostic of high-pressure and high-temperature shock deformation[J]. Geology, 2018. 46, 891-894.
Kovaleva, E., Kusiak, M.A., Kenny, G.G., Whitehouse, M.J., Habler, G., Schreiber, A., Wirth, R., Nano-scale investigation of granular neoblastic zircon, Vredefort impact structure, South Africa: Evidence for complete shock melting[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2021. 565, 116948.
Zhao, J., Xiao, L., Xiao, Z., Morgan, J.V., Osinski, G.R., Clive, R.N., Gulick, S.P.S., Riller, U., Claeys, P., Zhao, S., Prieur, N.C., Nemchin, A., Yu, S.a.I.S.P., Shock-deformed zircon from the Chicxulub impact crater and implications for cratering process[J]. Geology, 2021. 49, 755-760.
Zhao, J., Zhang, X., Xiao, L., Cavosie, A.J., Timms, N.E., Nemchin, A., Xiao, Z., Hu, W., Chang, Y., Shu, J., He, Q., Zhao, S., Wang, J., Zhao, J., Nanoscale constraints on the nucleation and evolution of granular zircon from reidite in impactites at the Chicxulub impact structure[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2024. 626, 118507.