嫦娥五号月壤撞击玻璃中的纳米尺度太空风化机制研究取得进展

发布时间：2026-05-29 打印

月壤是记录月球表面长期空间环境作用的重要载体。对于月球、水星和小行星等无大气天体而言，太阳风辐照、微陨石撞击、撞击熔融、溅射沉积和快速淬冷等过程持续改变表层物质的结构、成分和光谱性质。揭示这些过程在微纳尺度上的作用机制，是理解月表太空风化、遥感光谱演化以及月表资源赋存状态的重要基础。

近日，中国科学院南京地质古生物研究所殷宗军课题组，联合北京大学化学与分子工程学院周继寒课题组、北京大学地球与空间科学学院沈冰课题组，围绕嫦娥五号月壤颗粒表面的撞击玻璃开展系统研究，相关成果分别发表于《地球物理学研究杂志：行星》（JGR-Planets）和《美国科学院院刊》（PNAS）。两项研究以同一类嫦娥五号撞击玻璃为对象，分别从撞击诱导硅酸盐相分离和纳米金属铁形成机制两个方面，揭示了月表物质在撞击与太阳风共同作用下的纳米尺度演化过程。JGR-Planets论文题为“Conjugated Silicate Nanodroplets in Lunar Regolith: Unraveling Impact-Driven Phase Separation”；PNAS论文题为“3D insights into the multi-origins of nanophase Fe⁰ in the Moon surface”。

在JGR-Planets研究中，研究团队利用球差校正透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜和能谱分析等手段，在嫦娥五号月壤撞击玻璃中发现了化学成分互补的硅酸盐纳米液滴结构：富铁纳米液滴分布于富硅玻璃基质中，同时也观察到富硅纳米液滴分布于富铁玻璃基质中的反向结构。这些纳米液滴具有非晶原子排列，并呈现部分熟化的团聚体特征。该结果表明，微陨石撞击不仅会导致月壤局部熔融，还可在极短时间尺度内诱发硅酸盐熔体的液相不混溶；随后快速淬冷将这一瞬态分相结构保存于撞击玻璃之中。

在此基础上，PNAS研究进一步聚焦撞击玻璃中的纳米金属铁（nanophase Fe⁰, npFe⁰）。npFe⁰是月壤太空风化的重要产物，也是影响月表反射光谱的关键因素。研究团队通过电子三维重构结合能量色散X射线谱和电子能量损失谱，在纳米尺度上直接解析了npFe⁰的三维空间分布、颗粒形貌、局部丰度和铁价态特征。三维重构结果显示，在一个重构区域内共识别出1506个npFe⁰颗粒，颗粒平均直径约3.4纳米，中位直径约2.9纳米；不同层位中的颗粒尺寸、数密度和体积分数差异显著，局部大颗粒层中Fe⁰体积分数可达30 vol%。

为判别不同层位中npFe⁰的形成机制，研究团队结合三维结构、元素分布和铁价态信息，引入表征外源电子贡献的参数ξ。结果表明，富硫的不规则大颗粒层主要来源于硫化铁分解；多个小颗粒富集层则主要由Fe²⁺歧化反应形成；靠近颗粒表面的区域还记录了太阳风辐照对玻璃基质结构和npFe⁰颗粒熟化、生长的后期改造作用。该研究进一步估算出，成熟撞击玻璃微区中金属铁重量分数可达7.1 wt%，显著高于此前基于光谱方法估算的嫦娥五号整体月壤平均值，说明npFe⁰在月壤中具有强烈的微区非均一富集特征。

两项研究共同表明，嫦娥五号月壤撞击玻璃保存了撞击熔融、硅酸盐液相不混溶、氧化还原反应、硫化物分解以及太阳风辐照改造等多阶段过程的复合记录。电子三维重构与高分辨谱学的结合，使研究者能够突破传统二维显微观察的限制，在三维空间中定量解析月壤纳米结构及其成因联系。相关成果为理解月球及其他无大气天体表面光谱演化、撞击玻璃形成机制和月表铁资源赋存状态提供了新的样品学约束。

上述研究的第一作者为北京大学化学与分子工程学院2022级博士生戴以恒，南京古生物所研究员殷宗军和北京大学教授沈冰、研究员周继寒为共同通讯作者。相关研究得到了中国科学院天体生物学创新交叉团队项目、国家自然科学基金委和国家重点研发项目的资助。实验技术得到了南京古生物所实验技术中心、北京大学电子显微镜实验室、北京大学分析测试中心等支持。