探秘月壤“微陨石坑”：显微结构破译太空风化谜题

　　数十亿年来，月球表面遭受了强烈的太空风化作用，包括微陨石撞击、太阳风及银河宇宙射线的辐射等。这些过程极大地改造了月球表面物质的微观形貌、晶体结构和化学成分，进而影响了月球的光谱特征。深入研究太空风化过程与机理，是认识月球表面物质演化的关键，并为其他行星的宜居环境和演化提供了不可替代的作用。

　　撞击作用是改造月壤物质的最重要营力。较大的撞击造成月表物质的熔融、汽化和高压相变，而亚微米到微米级尺寸的撞击则会在月壤颗粒表面形成撞击微坑。这些微坑不但记录了月表的撞击环境，还为理解月球表面超高速撞击过程提供了天然实验室。然而，阿波罗月壤受限于当时的微区分析技术，未能得到详细的精细结构分析。嫦娥五号是我国首个实施无人月面取样返回的月球探测器，并带回来了1731克月壤样品，为我们系统认识月表物质的后期演化和空间环境（撞击通量、速度等）提供了绝佳的机会。但是，但对于这些信息的解读目前仍然处于探索阶段。

　　基于这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所电子显微镜实验室谷立新高级工程师、行星科学与前沿技术重点实验室林杨挺研究员、深层油气理论与智能勘探开发重点实验室李金华研究员，联合北京高压科学中心陈永金副研究员、中科院国家空间科学中心徐于晨副研究员等，通过先进的电子显微学技术，系统研究了嫦娥五号颗粒表面亚微米到微米尺寸微陨石坑的形态、微观结构、化学成分和元素价态变化，揭示了月表超高速撞击与太阳风辐照的协同作用机制。

　　统计研究发现，嫦娥五号月壤颗粒表面撞击微坑的密度相比于阿波罗样品要小的多，且大多数撞击微坑是由二次撞击形成的，这些撞击体来源于附近较大的撞击事件中产生的碎片。最典型的是其中一些撞击微坑在空间上呈聚集分布（图1d和图1f）。而要判断来源于微陨石撞击要复杂得多。除了结合特殊元素（如富Ni），撞击微坑的直径/深度比也可能是一个有效的指示特征（图2c）。同时，基于冲击熔融特征，可以推断二次撞击体的速度有相当一部分可以超过1km/s。由于二次撞击过程广泛发生于月球表面，它们对月壤物质的改造作用（如空间风化、破碎和翻耕等）可能比以往认为的更为显著。

图1月壤颗粒不同矿物和玻璃表面亚微米到微米尺度的撞击微坑

　　从撞击微坑的剖面结构上可以看出（图2），其典型构造包含冲击熔融层、非晶层和缺陷密集区。值得注意的是，不同微坑的发育特征因撞击速度和基质成分的不同而呈现显著差异（图3）。在微坑内，存在多种形态和分布特征的纳米金属铁。它们通常被自然的认为是撞击成因，然而，一个重要但长期被忽略的问题是这些颗粒在撞击之前是否已经受到了较长时间的太阳风辐照等风化效应？通过与远离撞击微坑的太阳风辐照损伤层相对比，研究发现撞击微坑内的纳米金属铁不能简单的归因于单一的撞击作用，还可能是太阳风辐照与微尺度撞击共同作用形成的。通过精细结构表征，他们提出了太阳风辐照与微陨石撞击时间序列的判别指标，并揭示了二者可能的叠加效应。此外，在微坑中还检测到少量非基质的物质成分，这有助于判断其形成过程，但其真实撞击体物质及来源仍存在较大不确定性。

图2 一颗辉石表面撞击微坑的微观结构和成分特征

图3 月壤颗粒表面亚微米到微米尺寸撞击微坑的形成过程及剖面结构示意图

　　这项研究表明空间风化过程和作用机制比先前认为的更为复杂多样，为理解月球表面材料的超高速撞击过程和空间风化效应提供了新的见解，并将有助于深化人们对太阳系中其他无大气天体表面物质演化的认识。同时，也为后续进一步深入研究月表超高速微尺度撞击过程和撞击环境奠定了基础。

　　研究成果近期发表于国际学术期刊GCA（谷立新，林杨挺*，陈永金*，徐于晨，唐旭，李金华*. Submicron-scale craters on Chang'e-5 lunar soils: records of complex space weathering processes [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025, 398: 139-151. DOI: 10.1016/j.gca.2025.04.004.）。研究受国家自然科学基金项目(42103035, 42241105, 42103035, 42241152)、中国科学院重点部署项目(ZDBS-SSW-JSC007, QYZDJ-SSW-DQC001)和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-202101, IGGCAS-202401)共同资助。