來源：光明日報

記者：劉毅恒、陳劍、凌宗成

科學(xué)家近日在嫦娥六號從月球背面帶回的月壤里找到了月球“生銹”的證據(jù)——微米級的赤鐵礦和磁赤鐵礦晶體。要知道，這可不是普通的鐵銹，它徹底改變了我們對月球干燥無氧的認知，還為困擾科學(xué)界已久的月球磁異常成因，提供了一個全新的解釋。

嫦娥六號探測器

圖片來源：中國空間技術(shù)研究院

月球古老“巖芯”記錄地質(zhì)奧秘

在地球上，鐵制品暴露在潮濕空氣中會生銹，本質(zhì)上是金屬鐵原子邂逅氧原子形成了三氧化二鐵。相反地，地球上的鐵礦石通常以鐵氧化物的形式存在，冶煉過程使鐵氧化物丟失氧原子，而獲得鐵金屬。簡單而言，氧化還原反應(yīng)是原子得失電子的化學(xué)反應(yīng)。而在宇宙中，一個天體的表面環(huán)境是易“氧化”還是易“還原”，深刻影響著其地質(zhì)演化過程。

左圖是使用透射電子顯微鏡（TEM）拍攝的赤鐵礦晶粒的高角度環(huán)形暗場像（HAADF），右圖是使用兩種特征元素區(qū)分的鐵氧化物（氧元素，品紅色）顆粒和隕硫鐵（硫元素，青色）顆粒的接觸關(guān)系

山東大學(xué)供圖

以月球為例，氧化還原反應(yīng)就是藏在月壤中的“化學(xué)日記”，記錄著月球自形成以來所經(jīng)歷的內(nèi)外動力學(xué)地質(zhì)過程。通過分析月球礦物的氧化還原狀態(tài)，可以推斷月球早期形成與演化過程中發(fā)生的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，為我們解讀月球的地質(zhì)和環(huán)境演化歷史提供關(guān)鍵線索。

此類研究還具有重要的現(xiàn)實意義。截至目前，國內(nèi)外載人探月任務(wù)均貫徹原位資源利用理念，而研究月球表面曾經(jīng)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，有助于識別月球表面可獲取的氧源，減輕航天員在月球活動期間，生氧物資的上行壓力，從而有效延長航天員的在月工作時間。

長期以來，科學(xué)界普遍認為月球是一個不會“呼吸”的星球。與地球擁有大氣層保護不同，月球直接暴露在太陽風下，而太陽風中的氫具有很強的還原性，因此月球表面的環(huán)境表現(xiàn)出較強的還原性。來自月球巖漿作用形成的巖石樣品分析也顯示，鐵元素在月球巖石礦物中主要以金屬鐵或二價鐵形式存在，難以被氧化生成鐵銹。

雖然“強還原性月球”的觀點根深蒂固，但從蛛絲馬跡的證據(jù)中，一些科學(xué)家窺探到了新答案。比如，月球礦物繪圖儀的繞月觀測數(shù)據(jù)暗示，月球高緯度區(qū)域可能廣泛分布著赤鐵礦；在研究嫦娥五號月球樣品時，我國科學(xué)家在撞擊形成的玻璃中發(fā)現(xiàn)了微小的磁鐵礦和極少量三價鐵撞擊玻璃的痕跡……這些線索似乎都表明，月球局部區(qū)域可能存在人類未知的氧化過程。

然而，繞月遙感數(shù)據(jù)和局部分析只是間接線索，科學(xué)家此前始終未能在月球樣品中找到確鑿的、結(jié)晶良好的全三價鐵礦物（如赤鐵礦）的直接證據(jù)。沒有這個物證，我們就無法確切回答：月球上到底能不能自然形成高度氧化的礦物？如果能，這個過程又是如何發(fā)生的？

嫦娥六號任務(wù)為解決這個問題提供了契機。嫦娥六號著陸的月球南極—艾特肯盆地是月球上最大、最古老的撞擊坑，也是太陽系中最大的撞擊坑之一。形成該盆地的撞擊事件，不但有可能擊穿了月殼，挖掘濺射出了月球深部甚至月幔的物質(zhì)，還有可能由于撞擊尺度的強烈，而產(chǎn)生了完全不同的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。在這里采樣，有可能獲取到月球最古老、最特殊的“歷史巖芯”，這對理解月球的形成和早期演化具有無可替代的價值，也為發(fā)現(xiàn)月球氧化作用過程打開一扇獨特的窗口。

南極-艾特肯盆地規(guī)模

圖片來源：CCTV-1大型科學(xué)紀錄片《飛向月球》

一粒月塵解開月球“生銹”之謎

此前，科學(xué)家通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和實驗室模擬試驗，認為月球“生銹”可能是地球上層大氣中的氧被“吹”到月球表面，與月壤中的含鐵礦物發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生了鐵銹。但根據(jù)離子能量推算，地球風中的氧離子對月球含鐵礦物的穿透深度通常低于100納米，所以微米尺度赤鐵礦相的形成，并不能歸因于地球風對含鐵礦物的輻照。

此次由山東大學(xué)、中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、云南大學(xué)組成的聯(lián)合團隊，對嫦娥六號月背樣品展開了深入研究，最終找到了月球上產(chǎn)生鐵銹的關(guān)鍵物證，解開了月球氧化之謎。

聯(lián)合團隊通過使用電子顯微鏡等技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)，月壤中赤鐵礦顆粒的直徑只有頭發(fā)絲直徑的幾十分之一，它們覆蓋在隕硫鐵礦物的表面，并被整體包裹在撞擊形成的富硅玻璃中。使用掃描電子顯微鏡觀察這些礦物的微觀形貌，研究人員發(fā)現(xiàn)，鐵氧化物呈現(xiàn)出明顯的疊層結(jié)構(gòu)。利用拉曼光譜、電子能量損失譜、X射線能譜3種高精度的“化學(xué)成分分析儀”，團隊確定這一晶體由鐵元素和氧元素組成，且不含其他元素。結(jié)合元素比例、晶體結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵的鐵元素價態(tài)等多方面的結(jié)果，聯(lián)合團隊最終確鑿無疑地鑒定出嫦娥六號月背樣品中存在結(jié)晶良好的微米級赤鐵礦和磁赤鐵礦。

那么，此次新發(fā)現(xiàn)的鐵銹究竟是如何產(chǎn)生的呢？依據(jù)赤鐵礦樣品產(chǎn)狀和成分特征，聯(lián)合團隊描繪出這樣一幅生動而全新的圖景：數(shù)十億年前，一顆小行星猛烈撞擊月球背面，撞擊瞬間產(chǎn)生了超過3000℃的極高溫度，足以將月球表面硅酸鹽礦物、氧化物礦物等瞬間氣化，并形成一個短暫的、局部富氧的氣體云團。在這個氣體云團邊緣區(qū)域，高溫使隕硫鐵礦物中的硫元素逃逸，重獲“自由”的鐵原子和氣體云團中的氧在高溫下結(jié)合形成氧化鐵。隨著氣體云團逐漸冷卻，這些氧化鐵像水蒸氣凝結(jié)成霜一樣，緩慢沉積形成赤鐵礦晶體。

此次的新發(fā)現(xiàn)表明，月球表面并非絕對的還原環(huán)境，在特定條件下能夠形成高度氧化的礦物。這也讓我們認識到，大型撞擊事件就像宇宙中強大的“太空化學(xué)反應(yīng)器”，能夠觸發(fā)局部強氧化環(huán)境的關(guān)鍵機制，是月球“氧化”以及月球表面化學(xué)多樣性的原因之一。

為破解月球磁異常提供線索

此次的新發(fā)現(xiàn)，不僅解答了月球為何“生銹”的問題，還為另一個月球謎題——月球磁異常提供了重要線索。

月球磁異常，是指月球表面一些局部區(qū)域的磁場強度顯著高于周圍平均水平的特殊現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在月球表面分布廣泛而零散，且與月面高地、月海等主要地質(zhì)特征沒有清晰的對應(yīng)關(guān)系。其最令人著迷的表現(xiàn)形式之一是“月球漩渦”，位于月球風暴洋西部的賴納伽馬漩渦便是典型代表。透過望遠鏡觀察，它只是一個明亮的、渦旋狀的亮斑，外觀上與遍布月表的環(huán)形山極度相似。但月表高程數(shù)據(jù)顯示，這片區(qū)域并沒有地形起伏，而是一片平坦的“平原”。目前主流的科學(xué)解釋認為，月壤在太陽風長期作用下會越來越暗，而“月球漩渦”下方存在強磁異常區(qū)，其產(chǎn)生的微磁層可以偏轉(zhuǎn)太陽風粒子，使該區(qū)域的月壤免受太陽風輻照，從而保持了更明亮的外觀。值得注意的是，嫦娥四號就曾在月球背面實地觀測到了微磁層的存在。

上世紀70年代，科學(xué)家通過分析月球巖石樣本發(fā)現(xiàn)，月球曾經(jīng)擁有強大的全球磁場，并且在距今約42.5億至35.6億年前，月球的偶極磁場強度可能達到幾十微特斯拉，甚至一度超過現(xiàn)在的地球磁場強度（約30微特斯拉）。然而月球遙感探測結(jié)果卻得出了“大相徑庭”的結(jié)論：月球目前不僅沒有像地球一樣全球性的偶極磁場，而且大部分區(qū)域的磁場不足1納特斯拉，但在包括南極—艾特肯盆地北部邊緣等區(qū)域存在著局部、相對地球較為微弱的磁性，磁場強度可達數(shù)百納特斯拉。

月球磁場為何會異常？以往，科學(xué)家認為在月球早期歷史中，其內(nèi)部可能存在一個活躍的“磁發(fā)電機”，如地核的熔融外核一般快速運動產(chǎn)生全球磁場。月球磁異常現(xiàn)象就是古老磁場將熔巖磁化、冷卻后，形成的記錄月球古磁場的化石。

然而，此次研究表明，在隕硫鐵向赤鐵礦轉(zhuǎn)化的過程中，一定會形成一種中間產(chǎn)物——磁鐵礦。它與磁赤鐵礦一樣，都是月球表面潛在的載磁礦物，這一發(fā)現(xiàn)對于磁異常的形成與演化過程有重要的意義。研究顯示，大型撞擊事件能夠在邊緣溫度較低、氧含量較低的區(qū)域，由不充分的氧化反應(yīng)生產(chǎn)出磁性礦物。這為未來月球磁異常研究打開了一扇新的大門，即某些磁異常可能并非全部源于月球內(nèi)部古老的“磁發(fā)電機”，而可能是由撞擊過程產(chǎn)生的磁性礦物所貢獻。

這一新發(fā)現(xiàn)，不僅增強了我們對于月球物質(zhì)成分復(fù)雜性的認知，也為研究月球南極—艾特肯盆地形成時發(fā)生的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程以及磁化過程提供了關(guān)鍵的樣品實證。

未來，隨著中國探月工程不斷推進，通過對磁異常區(qū)的就位探測、樣品返回或?qū)嶒炇夷M等手段，我們將有可能更深入地揭示月球磁異常的成因和變化過程，破解更多月球演化密碼。