在返回的月球土壤中发现结晶态的Fe2O3

《SCIENCE ADVANCES》：Discovery of crystalline Fe2O3 in returned lunar soils

嫦娥六号样本中发现微米级结晶α-Fe?O?和γ-Fe?O?，挑战传统月球表面还原环境观点，证实大碰撞释放氧气导致氧化铁矿物形成，并可能解释南极-阿基坦盆地磁异常。

　　这项研究揭示了嫦娥六号（CE6）月壤中存在微米尺度的晶体氧化铁矿物，其中包括赤铁矿（α-Fe?O?）和磁赤铁矿（γ-Fe?O?），它们在陨石撞击过程中与陨硫铁（troilite）共生。这一发现挑战了长期以来认为月球表面处于还原环境的观念，为月球表面存在氧化矿物提供了坚实的证据。研究团队通过多种高精度分析手段，如拉曼光谱、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和电子能量损失谱（EELS）等，确认了这些氧化铁矿物的存在，并对其形成机制进行了深入探讨。

在月球的形成过程中，巨撞击假说认为月球的成分与地球的地幔相似。然而，由于月球缺乏大气层，其表面长期受到太阳风和宇宙射线的轰击，这使得月球矿物通常处于还原状态。过去的研究表明，月球材料的氧逸度远低于地球，因此氧化铁矿物如赤铁矿在月球上极为罕见。尽管在阿波罗样本中曾有铁氧化物的模糊迹象，但这些矿物的形成多被认为是地球污染的结果。而最近的月球矿物光谱仪（Moon Mineralogy Mapper）观测则在高纬度地区发现了广泛存在的赤铁矿信号，这引发了关于月球氧化过程的讨论。然而，由于缺乏直接的矿物学证据，这一现象仍存在争议。

嫦娥六号任务采集的月壤样本中首次发现了明确的赤铁矿和磁赤铁矿晶体，这些矿物覆盖在陨硫铁颗粒表面，且尺寸微小，仅在微米级别。这种微米尺度的氧化矿物的存在表明，月球表面在某些局部区域可能经历了短暂的氧化环境。研究团队提出，这种氧化可能是由陨石撞击过程中释放的大量氧气引起的。撞击事件产生的高温和高氧逸度环境，使得原本处于还原状态的铁元素发生氧化反应，从而形成赤铁矿和磁赤铁矿。此外，撞击过程中释放的氧气可能与月球表面的铁硫化物（如陨硫铁）发生反应，导致其脱硫并最终转化为氧化铁矿物。

研究中还观察到，赤铁矿颗粒表面覆盖了一层富含硅和氧的玻璃状物质。这一层物质可能是撞击过程中释放的挥发性气体在冷却过程中形成的，它起到了保护作用，防止了赤铁矿与太阳风或地球风中的还原性成分发生进一步反应。因此，这层玻璃状物质的存在为氧化铁矿物的形成机制提供了重要线索，表明其并非由长期的太阳风氧化或地球风污染形成，而是源于撞击过程中的快速氧化和挥发性气体沉积。

在对矿物共生关系的分析中，研究团队发现赤铁矿和磁赤铁矿与陨硫铁之间存在明显的界面结构。这一界面特征支持了撞击过程中氧化铁矿物的形成过程，即在高温和高氧逸度条件下，陨硫铁被氧化并沉积为赤铁矿和磁赤铁矿。此外，磁赤铁矿作为一种典型的磁性矿物，可能与月球南极-阿波罗盆地（SPA）周围观测到的磁异常现象有关。这些磁异常可能是由于磁赤铁矿的沉积和分布形成的，为月球表面磁性特征的来源提供了新的视角。

在月球表面的氧化矿物形成机制方面，研究团队提出了一种可能的解释。在大规模的撞击事件中，陨石撞击产生的高温和高压环境可能促使月球表面的铁硫化物发生氧化反应，从而形成赤铁矿和磁赤铁矿。这种氧化过程可能发生在陨石撞击后的局部高温区域，随后在冷却过程中形成稳定的氧化矿物。此外，月球表面的低温环境可能有助于这些氧化矿物的保存，尤其是在远离太阳风影响的区域，如SPA盆地的边缘地带。

研究还指出，月球表面的氧化矿物可能在长时间的太阳风轰击下迅速分解。因此，只有在特定的条件下，如撞击产生的高温环境或较低的太阳风暴露程度，这些矿物才有可能在月球表面长期存在。嫦娥六号的采样地点位于SPA盆地的边缘，这一区域的太阳风暴露程度较低，有利于氧化矿物的保存。同时，该区域的磁异常可能进一步减少了太阳风对氧化矿物的影响，从而促进了它们的形成和保留。

研究团队还分析了不同采样地点的地质背景。以往的月球采样任务多集中在近月面区域，这些区域的火山活动频繁，可能掩盖了由撞击事件形成的氧化矿物。而嫦娥六号的采样点位于SPA盆地，这一区域经历了多次大型撞击事件，但较少受到火山活动的影响，因此更有可能保留这些氧化矿物。此外，SPA盆地的磁异常可能在一定程度上起到了保护作用，减少了太阳风对氧化矿物的破坏。

通过对比不同采样点的矿物组成和分布情况，研究团队进一步验证了撞击事件对氧化矿物形成的重要作用。他们认为，赤铁矿和磁赤铁矿的形成主要依赖于撞击过程中释放的氧气，而这一过程在撞击后的冷却阶段完成。这种机制与月球表面的长期氧化过程不同，而是由短期的高温和高氧逸度条件驱动的。因此，这些矿物的发现为理解月球表面的氧化过程提供了新的证据。

在对氧化矿物保存机制的探讨中，研究团队指出，月球表面的低温环境和较低的太阳风暴露程度是关键因素。由于月球缺乏大气层，其表面直接暴露于太阳风和宇宙射线中，这些高能粒子可能对氧化矿物造成破坏。然而，在SPA盆地的边缘地带，由于地形和磁异常的保护作用，这些矿物可能得以保存。此外，该区域的低温环境也有助于防止氧化矿物的进一步分解，从而延长其存在时间。

研究团队还提到，未来对月球表面氧化矿物的进一步研究需要依赖于更多的采样任务和详细的矿物学分析。目前，尽管在CE6样本中发现了赤铁矿和磁赤铁矿，但这些矿物的分布范围和形成机制仍需进一步探索。此外，撞击事件的规模和频率也会影响氧化矿物的形成和保存，因此需要更精确的模型来解释这些现象。

总的来说，这项研究为月球表面的氧化过程提供了新的证据，并挑战了传统观念。赤铁矿和磁赤铁矿的发现表明，月球表面在某些局部区域可能经历了短暂的氧化环境，这可能是由大规模的撞击事件引起的。这些矿物的形成和保存机制涉及复杂的热力学和化学过程，为理解月球的矿物学和地质演化提供了重要的线索。同时，这些发现也为未来的月球探测任务提供了新的研究方向，尤其是在探索月球表面的氧化矿物和磁性特征方面。