当提起铅，你会想到什么？医院放射科屏蔽辐射的铅板，汽油中是否含铅，护肤品中是否含铅，蓄电池，保险丝……
但是，当一个地球科学家被问及这个问题时，他/她可能会脱口而说“铀-铅（U-Pb）同位素定年”。是的，U-Pb同位素定年在地球科学研究领域太重要了——七十年前，地球的形成时间就是通过研究铁陨石中的Pb同位素而限定的；太阳系的形成年龄也是通过U-Pb同位素定年获得的；我国嫦娥5号月球玄武岩的年龄也是通过U-Pb同位素定年获得的……
是不是用仪器测了一个样品（岩石或矿物）的U-Pb的同位素体系就能确定这个样品的形成年龄呢？显然不是，因为某些过程会导致岩石和矿物中的U和Pb发生迁移。因此，如果不了解岩石或者矿物中U和Pb的行为，获得的所谓“年龄”可能是不准的或者是具有误导性的。
陨石是来源于其他天体的地质样品。通过对陨石中的含U矿物进行U-Pb同位素定年，可以获得这些陨石的形成年龄。但是，它们经历了不同程度的撞击作用，有些还经历了多次撞击作用。这些撞击作用很多是在极快的速度（每秒几千米）下发生的，会产生短暂的高温高压事件（图1）。撞击作用会不会导致矿物中的U-Pb同位素体系发生改变呢？这是一个行星科学家和地球化学家十分关心的问题。
图1、天体撞击概念图（源于www.worldaltas.com）
最近，太阳集团tyc539张爱铖教授课题组发表了一篇文章，报道一块经历撞击作用的月球陨石（Northwest Africa 8182，简称NWA 8182，一块在西北非地区搜集到的陨石，8182代表国际陨石学会批准的第8182块西北非陨石，图2）中含有大量金属铅。他们提出这些金属铅是因为天体撞击作用从矿物中释放出来的，会对目标矿物的U-Pb同位素定年产生重要影响。
2021年，张爱铖课题组曾发表文章认为NWA 8182是一块经历强烈撞击作用（至少五万个大气压）的月球陨石，因为他们在这块样品观察到了大量含气孔构造的玻璃和一种高压矿物—钙硬玉Tissintite（加州理工学院马驰博士于2014年发现的钙的铝硅酸盐矿物）。在最新的研究工作中，他们发现NWA 8182陨石中含有一些叫钙钛锆石的矿物（Zirconolite，理想化学式为CaZrTi2O7）。钙钛锆石晶体结构中可以含有较多的U和Th，但是依然能够保持结构稳定，因此被用来存储核废料。有趣的是，天然钙钛锆石形成时，其结构中几乎不含有任何Pb元素，这使得钙钛锆石成为U-Pb定年非常理想的矿物。
图2、NWA 8182月球陨石手标本照片
美国学者曾在阿波罗月球样品观察到钙钛锆石的出现。但是不同于前人的研究，借助于先进的场发射电子显微镜，张爱铖课题组在NWA 8182中的钙钛锆石中发现大量小亮点，几乎每个颗粒都有这样的小亮点（图3）。通过对这些钙钛锆石进行切片研究，他们发现这些小亮点都是金属铅（图4）。有趣的是，他们发现很多低倍显微镜观察看到的钙钛锆石颗粒实际上是非常细粒的小晶体聚集体。基于详细的岩相学观察和矿物结构分析，他们提出NWA 8182中的钙钛锆石经历了撞击熔融重结晶过程。在这个过程中，铅在钙钛锆石晶体结构中是不相容的，因此铅以金属铅形式被释放出来。很多地质过程（比如高温变质作用）会导致Pb的丢失，因为Pb是中等挥发性元素，在高温下很容易迁移；但NWA 8182中这些金属铅颗粒的存在“锁住”了原寄主矿物释放出来的铅。这是首次在地外样品中观察到金属铅的存在。
图3、扫描电子显微镜拍摄的月球陨石NWA 8182中的钙钛锆石(Zrc)及其中的金属铅小亮点(Pb)
图4、透射电子显微镜拍摄的钙钛锆石(Zrc)多晶集合体和金属铅颗粒(Pb)
虽然金属铅的形成锁住了释放出来的铅，但是铅颗粒并不是均匀分布的。文章提出这种铅颗粒的不均匀分布会对高精度年代学存在重要影响（图5）。如果仪器分析到金属铅聚集的区域，很可能会导致异常老的年龄，造成“令人惊喜”的假象。
图5、金属铅的形成对钙钛锆石U-Pb同位素体系和年龄的影响
上述研究成果发表于地球化学和宇宙化学领域主流刊物Geochimica et Cosmochimica Acta上（2024年4月21日上线）。张爱铖教授为该文章的第一作者和通讯作者。共同作者包括太阳集团tyc539的孙昊暄、杜天然、陈佳妮和中国科学院地质与地球物理研究所的谷立新老师，他们为本工作的开展和发表作出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金项目（42025302, 41973061）、中国科学院比较行星学先导B项目（XDB41000000）和国家航天局民用航天科研项目（D020204）的资助。
文章信息：Zhang AC, Sun HX, Du TT, Chen JN, Gu LX. 2024. Discovery of abundant shock-induced metallic lead nanograins in lunar zirconolite. Geochimica et Cosmochimica Acta, in press. Https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.04.025
