《Journal of Microscopy》：Correlative microstructural analysis of a weathered nantan meteorite fragment
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富铁相在陨石中的风化是一个多阶段过程，其显著改变显微结构和化学组成，变化程度取决于着陆位置的环境条件和降落以来的暴露时间。本研究采用天然风化的南丹铁陨石碎片，以关联和对比方式研究该过程形成的产物相。使用X射线光电子能谱（XPS）、能量色散X射线谱（EDS）和X
富铁相在陨石中的风化是一个多阶段过程，其显著改变显微结构和化学组成，变化程度取决于着陆位置的环境条件和降落以来的暴露时间。本研究采用天然风化的南丹铁陨石碎片，以关联和对比方式研究该过程形成的产物相。使用X射线光电子能谱（XPS）、能量色散X射线谱（EDS）和X射线荧光光谱（XRF）进行化学与成分测定，使用X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）进行物相确定和显微结构分析。上述技术的结合揭示陨石基体主要由磁铁矿组成，针铁矿和磁赤铁矿作为次要相存在。陨石存在两对明显不同的区域，一对由Ni含量区分，另一对由晶粒尺寸和Cl分布区分。Ni含量区域被认为源自原魏德曼施泰滕（Widmanst?tten）图案结构，高Ni区（≥2.6 at%）和低Ni区（≤0.9 at%）分别来自合纹石（plessite）和锥纹石（kamacite）。合纹石内的锥纹石和镍纹石（taenite）被认为通过不同机制风化。晶粒尺寸区域由宽100–200 μm的可见边界分隔，晶粒在该边界处从细晶快速转变为拉长晶粒，Cl含量从低且分散变为集中斑点。最后，在样品中发现一个角砾化相，鉴定为一个大尺寸陨碳铁（cohenite）晶粒，其显示风化迹象，包括由NiO和磁铁矿组成的基体脉状延伸物以及铁和镍碳酸盐沉积。
铁陨石的风化过程是理解陨石从降落到发现时间线以及制定稀有地外材料储存与保护策略的关键前提，对IAB复合群铁陨石尤为重要。该复合群被认为形成于母小行星的熔池而非熔融核，主要由铁镍合金相（锥纹石、镍纹石、四方镍纹石）和橄榄石、斜长石等硅酸盐包裹体组成。这些陨石相在地球和太空中均可经历化学改造，风化通常导致金属相和矿物相的显著变化，以及微量元素组成和显微结构的改变。前人提出铁基相的风化存在两种可能机制：其一为多步骤过程，Fe-Ni相转变为氯稳定的羟基氧化铁（akaganéite），随后分解为其他铁氧化物和羟基氧化物；其二为Fe-Ni金属经溶解、水解和氧化转化为磁铁矿。风化程度还受降落地点气候影响，潮湿地区陨石中磁性有序相（磁铁矿和磁赤铁矿）丰度较高，而南极样品中磁铁矿不常见；热沙漠陨石比南极发现物含更高含量的硫酸盐、碳酸钙和二氧化硅，且热沙漠风化导致更多角砾化和溶解。此前研究多采用EDS、穆斯堡尔谱和电子探针微量分析鉴定风化相，但Fe、Ni和O的元素组成在单个样品和风化金属区域之间差异显著。多种X射线方法（EDS、XPS、XRF）常被联合使用以更好地理解特定材料属性，XRF还具有便携化现场分析的独特优势。
基于此，研究人员采用EDS、XPS、EBSD、XRD和XRF多模态表征联合分析南丹铁陨石碎片，旨在展示多模态表征对陨石等复杂材料的优势，并理解该碎片风化过程中形成的独特Ni和次表面Cl组成区域及其对显微结构的影响。研究得出以下结论：南丹碎片经历了极端风化，样品主要由磁铁矿组成，并存在NiO、针铁矿和磁赤铁矿；基体形成两对明显不同的区域，即晶粒结构分隔区和Ni浓度分隔区；高Ni区（约2.6 at%）和低Ni区（约0.9 at%）被认为分别源自原合纹石和锥纹石，低Ni区经水溶液蚀变形成氯稳定羟基氧化铁后分解为磁铁矿、磁赤铁矿和针铁矿，高Ni区则经历锥纹石快速溶解沉淀为磁铁矿与镍纹石水溶液蚀变形成磁赤铁矿和NiO两种同时进行的机制；晶粒结构分隔区由宽100–200 μm的可见表面边界分隔，与Cl的存在相关，一侧为约5 μm小晶粒且Cl低而分散，另一侧为大于10 μm大晶粒且Cl集中，Cl富集点被认为来自次表面残留的羟基氧化铁或hibbingite；大包裹体主要由陨碳铁组成，裂缝被基体延伸的脉状结构及铁、钙碳酸盐充填，脉状结构形成于水溶液蚀变过程中溶液渗入裂缝并沉积NiO、磁赤铁矿和磁铁矿。该研究的意义在于展示了多模态关联表征对复杂地外材料的适用性，并为铁陨石风化机制及陨石保存策略提供了微观结构层面的依据。
研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：以天然风化南丹铁陨石碎片（购自加拿大Rocks Gems Canada）为研究对象，经金刚石和胶体氧化铝/二氧化硅悬浮液金相抛光后，采用Apreo 2 ChemiSEM进行二次电子（SE）、背散射电子（BSE）成像和EDS面分布分析，结合MAPS软件进行大面积拼接；采用Tescan AMBER-X等离子聚焦离子束-扫描电子显微镜（pFIB-SEM）配合Oxford Symmetry S2探测器进行EBSD分析，并以PhaseID方法结合EDS进行物相鉴定，数据经Aztec Crystal的MapSweeper模板匹配和MTEX 5.10.2交叉相关系数过滤处理；采用Bruker D6 Phaser进行XRD分析；采用Thermo Scientific Nexsa G2进行XPS分析（Ar?溅射清洁，Fe、O、Ni高分辨单元素扫描）；采用IXRF Atlas XRF系统进行大面积元素面分布分析。
研究结果部分，基体方面：EDS谱显示样品表面主要为Fe、Ni、Ca、Si和O，样品主要由不同化学计量的铁氧化物和Ni含量不同的区域组成；XPS和XRF证实高Ni浓度区域的存在，被认为是风化前魏德曼施泰滕图案结构的遗迹，低Ni区来自锥纹石带、高Ni区来自原合纹石。XRF还检测到EDS未见的六种微量元素Ce、Cl、Co、Cr、Mn和P，Co和P在高Ni区浓度较高，Cl、Cr和Ce总体分布并在低Ni区富集，Mn富集于表面大包裹体中。XPS提示基体中存在磁铁矿、磁赤铁矿和NiO，包裹体区域Fe(III)卫星峰表明铁氧化物可能为磁赤铁矿而非磁铁矿，Fe金属峰为Ar?溅射清洁的产物。XRD结果显示与磁铁矿和磁赤铁矿强相关但与二者难以区分，与针铁矿相关性较弱，与纤铁矿（lepidocrocite）的可能相关性因峰强过低而不能确认，样品具磁性进一步佐证以磁铁矿为主。高Ni区和低Ni区之间Fe组成有变化，而O和C浓度相对不变。表面特征方面：三个不同物相区域的同步EBSD和EDS分析显示，第一区域基体为磁铁矿，晶粒穿越暗区时尺寸和形貌显著变化，IPF显示无明显局部微织构，实验EBSP与磁铁矿动态模拟图案高度吻合；第二区域基体同样为磁铁矿，晶粒尺寸随靠近高Ni区而减小；第三区域同时存在磁铁矿和针铁矿，但针铁矿晶粒结构因凹面形貌未能很好解析。混合相包裹体方面：XPS和EDS显示包裹体化学组成与基体相似，主要为Fe和Ni氧化物，峰对应NiO和Fe2O3；EDS显示角砾化相相对富集C和Fe，脉状结构和暗色相含Fe、Ni和O，Ca存在于小囊中，亮色相可能为Fe-Ni碳化物（陨碳铁），包裹体内O浓度下降、C浓度上升归因于大陨碳铁晶粒；EBSD显示包裹体中背散射系数最高的相为单一近均匀取向晶粒，呈角砾化，细晶脉状结构自基体向外延伸，周围基体为随机取向大晶粒且靠近包裹体处尺寸减小，物相色图显示基体邻近包裹体处仍为磁铁矿而白色相为陨碳铁。
讨论部分总结如下：基体的物相与组成方面，关联分析确认元素组成为Fe、Ni和O为主，未发现金属Fe/Ni合金，Ni分布不均匀，高Ni区达2.6 at%；由于缺乏非氧化物（如锥纹石或镍纹石）晶粒，推断该碎片自降落以来经历了显著风化；XRD、EDS和XPS联合表明基体主要为磁铁矿，磁赤铁矿、针铁矿和NiO混合其中；基体显微结构形成两对区域，晶粒尺寸区分隔区中暗色析出物和结晶相被认为是从XRD结果和EBSP匹配推断的针铁矿，XRD与纤铁矿的弱相关性因峰强和EBSP置信度不足而不能确认。Ni浓度分隔区方面，高Ni区（约2.6 at%）和低Ni区（约0.9 at%）被认为源自风化前的魏德曼施泰滕图案，分别对应原锥纹石和合纹石；高Ni区Fe:Ni比约为10:1，与前人报道的锥纹石风化产物比值吻合，高Ni区中former合纹石与镍纹石的风化机制不同，合纹石中锥纹石快速溶解为磁铁矿，镍纹石经羟基氧化铁机制形成磁赤铁矿和NiO，低Ni区则生成显著更多的针铁矿，XRF和EBSD显示Cl浓度与针铁矿存在相关性，可能与地下水中Cl?催化形成的羟基氧化铁随后分解有关。晶粒结构分隔区方面，晶粒结构边界与主要元素组成无关，而与针铁矿晶粒周围及Cl局部富集区相关；Cl富集热点通常是地下水来源Cl的残留，可能以羟基氧化铁或hibbingite形式保留；研究人员推测样品右侧原暴露于地下水，Cl攻击锥纹石形成羟基氧化铁，部分分解为针铁矿、磁赤铁矿和磁铁矿，逐渐分解允许形成较大晶粒，而左侧锥纹石快速风化分解为磁铁矿形成众多小晶粒；分析表面未检出羟基氧化铁并不能否定XRF检测到的Cl，羟基氧化铁可能存在于碎片更深部，EBSD和XPS的探测深度远小于XRF。包裹体与脉状显微结构的形成方面，包裹体存在四个不同区域和相：角砾化白色包裹体为Fe、C、Ni（(Fe,Ni)3C），脉状结构为Fe、Ni、O（Fe3O4、γ-Fe2O3、NiO），孔洞中浅灰色开裂包裹体为Ca、C、O（CaCO3），深灰色包裹体为Fe、C、O（FeCO3）；IPF图显示各碳化物晶粒共享共同晶体取向，表明源自单一母晶粒，元素组成和EBSD索引指示该碳化物相为陨碳铁；脉状相为高Ni基体经水溶液风化并向开裂陨碳铁渗透的延伸，在陨碳铁晶粒间形成磁铁矿、磁赤铁矿和NiO，铁和钙碳酸盐为水溶液风化过程中结合局部CO32?形成的次生矿物；晶粒结构归因于风化过程中晶粒同时形成以及Ni含量增加导致铁晶粒细化，风化在材料表面大面积快速发生使大量晶粒同时形成，结合Ni细化铁合金晶粒的已知效应形成观测到的显微结构，但Ni本身还是风化机制对晶粒细化的主导贡献尚不清楚；脉状结构经EDS显示延伸至包裹体区域之下，Ni分布呈类似断裂形貌，包裹体孔隙内的物种经SEM显示向样品表面更深处延伸，推测包裹体区域是陨石体内更大特征的截面。结论部分译文：南丹碎片经历了极端风化，样品主要由磁铁矿组成，并存在NiO、针铁矿和磁赤铁矿。基体形成两对明显不同的区域，即晶粒结构分隔区和Ni浓度分隔区。EDS、XPS和XRF显示高Ni区（约2.6 at%）和低Ni区（约0.9 at%），EDS测定高、低Ni区基体元素组成为Fe-Ni-Si-O-C（at%）和Fe-Ni-Si-O-C（at%）。高、低Ni浓度区被认为分别源自样品中原有的合纹石和锥纹石。低Ni区被认为由锥纹石水溶液蚀变为氯稳定羟基氧化铁后分解为磁铁矿、磁赤铁矿和针铁矿形成。高Ni区被认为经历了两种同时进行的风化机制，即锥纹石快速溶解沉淀为磁铁矿，以及镍纹石水溶液蚀变形成磁赤铁矿和NiO。晶粒结构分隔区由宽100–200 μm的可见表面边界分隔，被认为与Cl的存在相关。边界一侧为约5 μm小晶粒且Cl含量低而总体分散，另一侧为大于10 μm大晶粒且Cl呈集中区域而非分散。研究还发现Cl浓度升高区域周围存在大量针铁矿。研究认为这些Cl浓度升高点来自风化机制残留的次表面羟基氧化铁或hibbingite，分析表面附近的羟基氧化铁分解为针铁矿、磁铁矿和磁赤铁矿。小晶粒区域未发现针铁矿，研究认为该区域通过快速风化分解为磁铁矿形成。分析表面的大包裹体中也发现了其他风化迹象。该包裹体主要由陨碳铁组成，似乎因陨石经历的撞击而开裂。陨碳铁晶粒间的裂缝被自基体延伸的脉状结构和少量铁、钙碳酸盐相充填。脉状结构被认为形成于形成周围显微结构的水溶液蚀变过程中，水溶液渗入陨碳铁裂缝并沉积NiO、磁赤铁矿和磁铁矿。最后，研究认为该大包裹体是陨石体内更大特征的小截面，Ni分布显示为向包裹体下方延伸成尖端的轮廓，包裹体内孔隙似乎延伸至分析表面更深处。
