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嫦娥六号月壤样品封装容器 光明图片/视觉中国
嫦娥六号月壤样品 光明图片/视觉中国
嫦娥六号 光明图片/视觉中国
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科学家近日在嫦娥六号从月球背面带回的月壤里找到了月球“生锈”的证据——微米级的赤铁矿和磁赤铁矿晶体。要知道，这可不是普通的铁锈，它彻底改变了我们对月球干燥无氧的认知，还为困扰科学界已久的月球磁异常成因，提供了一个全新的解释。
月球古老“岩芯”记录地质奥秘
在地球上，铁制品暴露在潮湿空气中会生锈，本质上是金属铁原子邂逅氧原子形成了三氧化二铁。相反地，地球上的铁矿石通常以铁氧化物的形式存在，冶炼过程使铁氧化物丢失氧原子，而获得铁金属。简单而言，氧化还原反应是原子得失电子的化学反应。而在宇宙中，一个天体的表面环境是易“氧化”还是易“还原”，深刻影响着其地质演化过程。
以月球为例，氧化还原反应就是藏在月壤中的“化学日记”，记录着月球自形成以来所经历的内外动力学地质过程。通过分析月球矿物的氧化还原状态，可以推断月球早期形成与演化过程中发生的物质转化过程，为我们解读月球的地质和环境演化历史提供关键线索。
此类研究还具有重要的现实意义。截至目前，国内外载人探月任务均贯彻原位资源利用理念，而研究月球表面曾经发生的氧化还原反应，有助于识别月球表面可获取的氧源，减轻航天员在月球活动期间，生氧物资的上行压力，从而有效延长航天员的在月工作时间。
长期以来，科学界普遍认为月球是一个不会“呼吸”的星球。与地球拥有大气层保护不同，月球直接暴露在太阳风下，而太阳风中的氢具有很强的还原性，因此月球表面的环境表现出较强的还原性。来自月球岩浆作用形成的岩石样品分析也显示，铁元素在月球岩石矿物中主要以金属铁或二价铁形式存在，难以被氧化生成铁锈。
虽然“强还原性月球”的观点根深蒂固，但从蛛丝马迹的证据中，一些科学家窥探到了新答案。比如，月球矿物绘图仪的绕月观测数据暗示，月球高纬度区域可能广泛分布着赤铁矿；在研究嫦娥五号月球样品时，我国科学家在撞击形成的玻璃中发现了微小的磁铁矿和极少量三价铁撞击玻璃的痕迹……这些线索似乎都表明，月球局部区域可能存在人类未知的氧化过程。
然而，绕月遥感数据和局部分析只是间接线索，科学家此前始终未能在月球样品中找到确凿的、结晶良好的全三价铁矿物（如赤铁矿）的直接证据。没有这个物证，我们就无法确切回答：月球上到底能不能自然形成高度氧化的矿物？如果能，这个过程又是如何发生的？
嫦娥六号任务为解决这个问题提供了契机。嫦娥六号着陆的月球南极—艾特肯盆地是月球上最大、最古老的撞击坑，也是太阳系中最大的撞击坑之一。形成该盆地的撞击事件，不但有可能击穿了月壳，挖掘溅射出了月球深部甚至月幔的物质，还有可能由于撞击尺度的强烈，而产生了完全不同的物质转化过程。在这里采样，有可能获取到月球最古老、最特殊的“历史岩芯”，这对理解月球的形成和早期演化具有无可替代的价值，也为发现月球氧化作用过程打开一扇独特的窗口。
一粒月尘解开月球“生锈”之谜
此前，科学家通过卫星遥感数据和实验室模拟试验，认为月球“生锈”可能是地球上层大气中的氧被“吹”到月球表面，与月壤中的含铁矿物发生氧化反应产生了铁锈。但根据离子能量推算，地球风中的氧离子对月球含铁矿物的穿透深度通常低于100纳米，所以微米尺度赤铁矿相的形成，并不能归因于地球风对含铁矿物的辐照。
此次由山东大学、中国科学院地球化学研究所、云南大学组成的联合团队，对嫦娥六号月背样品展开了深入研究，最终找到了月球上产生铁锈的关键物证，解开了月球氧化之谜。
联合团队通过使用电子显微镜等技术手段发现，月壤中赤铁矿颗粒的直径只有头发丝直径的几十分之一，它们覆盖在陨硫铁矿物的表面，并被整体包裹在撞击形成的富硅玻璃中。使用扫描电子显微镜观察这些矿物的微观形貌，研究人员发现，铁氧化物呈现出明显的叠层结构。利用拉曼光谱、电子能量损失谱、X射线能谱3种高精度的“化学成分分析仪”，团队确定这一晶体由铁元素和氧元素组成，且不含其他元素。结合元素比例、晶体结构以及关键的铁元素价态等多方面的结果，联合团队最终确凿无疑地鉴定出嫦娥六号月背样品中存在结晶良好的微米级赤铁矿和磁赤铁矿。
那么，此次新发现的铁锈究竟是如何产生的呢？依据赤铁矿样品产状和成分特征，联合团队描绘出这样一幅生动而全新的图景：数十亿年前，一颗小行星猛烈撞击月球背面，撞击瞬间产生了超过3000℃的极高温度，足以将月球表面硅酸盐矿物、氧化物矿物等瞬间气化，并形成一个短暂的、局部富氧的气体云团。在这个气体云团边缘区域，高温使陨硫铁矿物中的硫元素逃逸，重获“自由”的铁原子和气体云团中的氧在高温下结合形成氧化铁。随着气体云团逐渐冷却，这些氧化铁像水蒸气凝结成霜一样，缓慢沉积形成赤铁矿晶体。
此次的新发现表明，月球表面并非绝对的还原环境，在特定条件下能够形成高度氧化的矿物。这也让我们认识到，大型撞击事件就像宇宙中强大的“太空化学反应器”，能够触发局部强氧化环境的关键机制，是月球“氧化”以及月球表面化学多样性的原因之一。
为破解月球磁异常提供线索
此次的新发现，不仅解答了月球为何“生锈”的问题，还为另一个月球谜题——月球磁异常提供了重要线索。
月球磁异常，是指月球表面一些局部区域的磁场强度显著高于周围平均水平的特殊现象。这种现象在月球表面分布广泛而零散，且与月面高地、月海等主要地质特征没有清晰的对应关系。其最令人着迷的表现形式之一是“月球漩涡”，位于月球风暴洋西部的赖纳伽马漩涡便是典型代表。透过望远镜观察，它只是一个明亮的、涡旋状的亮斑，外观上与遍布月表的环形山极度相似。但月表高程数据显示，这片区域并没有地形起伏，而是一片平坦的“平原”。目前主流的科学解释认为，月壤在太阳风长期作用下会越来越暗，而“月球漩涡”下方存在强磁异常区，其产生的微磁层可以偏转太阳风粒子，使该区域的月壤免受太阳风辐照，从而保持了更明亮的外观。值得注意的是，嫦娥四号就曾在月球背面实地观测到了微磁层的存在。
上世纪70年代，科学家通过分析月球岩石样本发现，月球曾经拥有强大的全球磁场，并且在距今约42.5亿至35.6亿年前，月球的偶极磁场强度可能达到几十微特斯拉，甚至一度超过现在的地球磁场强度（约30微特斯拉）。然而月球遥感探测结果却得出了“大相径庭”的结论：月球目前不仅没有像地球一样全球性的偶极磁场，而且大部分区域的磁场不足1纳特斯拉，但在包括南极—艾特肯盆地北部边缘等区域存在着局部、相对地球较为微弱的磁性，磁场强度可达数百纳特斯拉。
月球磁场为何会异常？以往，科学家认为在月球早期历史中，其内部可能存在一个活跃的“磁发电机”，如地核的熔融外核一般快速运动产生全球磁场。月球磁异常现象就是古老磁场将熔岩磁化、冷却后，形成的记录月球古磁场的化石。
然而，此次研究表明，在陨硫铁向赤铁矿转化的过程中，一定会形成一种中间产物——磁铁矿。它与磁赤铁矿一样，都是月球表面潜在的载磁矿物，这一发现对于磁异常的形成与演化过程有重要的意义。研究显示，大型撞击事件能够在边缘温度较低、氧含量较低的区域，由不充分的氧化反应生产出磁性矿物。这为未来月球磁异常研究打开了一扇新的大门，即某些磁异常可能并非全部源于月球内部古老的“磁发电机”，而可能是由撞击过程产生的磁性矿物所贡献。
这一新发现，不仅增强了我们对于月球物质成分复杂性的认知，也为研究月球南极—艾特肯盆地形成时发生的物质转化过程以及磁化过程提供了关键的样品实证。
未来，随着中国探月工程不断推进，通过对磁异常区的就位探测、样品返回或实验室模拟等手段，我们将有可能更深入地揭示月球磁异常的成因和变化过程，破解更多月球演化密码。
（作者：刘毅恒、陈剑、凌宗成，分别系山东大学空间科学与技术学院博士研究生；助理研究员；教授）
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