磁鐵礦通常涉及古磁場以及地外生命等重大科學問題，因而在行星科學領域備受關注。月球表面極端的還原環境使得月壤中的鐵元素以二價鐵離子（Fe2+）和零價鐵（Fe0）為主。阿波羅時代僅有少量的三價鐵離子（Fe3+）及其賦存礦物被直接探測到。隨著樣品分析與遙感探測技術的提升，大量數據指示了月表Fe3+的分布，同時，對阿波羅月球樣品的進一步分析也確認了月表存在磁鐵礦和玻璃質等含Fe3+的物質，而這些Fe3+通常被解釋為諸如碳質球粒隕石、彗星以及地球風等外源C-H-O流體的氧化作用，尤其對於月球原生磁鐵礦的形成機制以及分布特徵尚不明確。
中國科學院地球化學研究所李陽研究團隊針對嫦娥五號表取月壤粉末中的硫化物顆粒開展深入細緻的原位微區分析，首次證實了月壤中存在撞擊成因亞微米級磁鐵礦的存在。研究證據表明，月球表面的硫化物在撞擊過程中會發生複雜的氣液反應，使得溶解進入硫化物的FeO通過共析反應生成亞微米級的磁鐵礦以及單質金屬鐵。撞擊成因亞微米級磁鐵礦的發現與證實，為學術界關於月壤中可能廣泛存在原生磁鐵礦的猜測提供了直接證據，並可為月球表面磁異常等重大科學問題的研究提供實驗驗證與理論支撐。
鐵元素是記錄太陽系氧化還原環境的重要元素。月球普遍被認為是極度還原的，當前關於月球樣品中鐵元素的還原行為研究頗為深入，月壤中廣泛分布的太空風化成因納米金屬鐵是對月表極端還原條件的證明（Pieters and Noble，2016）。近年來，隨著分析技術的提升，有學者在月球樣品中陸續觀察到含Fe3+的物質（如磁鐵礦以及玻璃質等），同時，「月船一號」搭載的M3光譜數據也顯示月球的高緯度地區廣泛存在赤鐵礦（Fe2O3），月球物質中這些氧化態鐵的分布使得科學家重新審視月表的氧化環境(Joy et al., 2015；Li et al., 2022a；Li et al., 2020)。
磁鐵礦是重要的Fe3+載體礦物，但在月球樣品中較少被報導。在阿波羅時代，有學者根據電子自旋共振和穆斯堡爾譜的研究成果推斷出，阿波羅月壤中可能廣泛存在亞微米級的磁鐵礦，但沒有得到原位礦物學數據的支持（Forester，1973；Griscom et al., 1973）。Joy等（2015）通過細緻的礦物學分析在Apollo月岩樣品中確定了微米級磁鐵礦晶體的存在，並認為它們與外源性的碳質球粒隕石或彗星等撞擊體密切相關，而這只是月球樣品中的個例，並不能支撐月壤中亞微米磁鐵礦的廣泛分布（Joy et al., 2015）。因此，磁鐵礦在細粒月壤的分布與形成機制尚不清楚。
嫦娥五號任務從年輕的月海玄武岩單元（Em4/P58，~20億年）帶回了1.731 kg的月壤物質。儘管樣品的分析表明，幾乎所有的嫦娥五號月壤都是來自當地物質，但有少部分的月壤顆粒（<5%）來自大型撞擊坑的濺射物（Jia et al., 2021；Li et al., 2022b）。考慮到嫦娥五號玄武岩具有年輕的形成年齡，以及該地區月壤受到的後期改造過程較為有限，因此，嫦娥五號月壤或保留了月表撞擊過程的初始反應信息。
中國科學院地球化學研究所李陽研究團隊針對嫦娥五號表取月壤粉末（CE5C0400YJFM00505和CE5C0200YJFM00302）中的硫化物顆粒開展了深入研究，首次發現了撞擊誘導成因的亞微米級磁鐵礦存在的可靠證據。研究團隊通過掃描電鏡和透射電鏡觀察，在嫦娥五號細粒月壤中發現了約2微米直徑的球形鐵硫化物顆粒。該顆粒具有獨特的形貌特徵，具體表現為純金屬鐵的觸鬚以幾乎相等的間隔從整個球形鐵硫化物顆粒表面突出。嫦娥五號球形鐵硫化物顆粒內部普遍具有溶氧的特徵，且含有大量的亞微米級磁鐵礦和純金屬鐵顆粒（圖1）。鐵硫化物內部的亞微米級磁鐵礦晶體（~100 nm）進一步通過化學和結構的綜合分析得到確認。透射電鏡能譜面掃描和線掃描的結果顯示，球形鐵硫化物顆粒內含有富氧和富鐵的鐵氧化物相（圖1、2）。此外，電子能量損失譜的結果指示，該鐵氧化物顆粒的FeL2,3譜介於Fe2+和Fe3+標樣之間，表明球形鐵硫化物顆粒內部的鐵氧化物同時含有Fe2+和Fe3+，比例約為1:2，這與磁鐵礦的化學成分一致（圖2c）。研究通過球差校正透射電鏡獲取到的高分辨原子像以及高分辨透射電鏡圖像，確認了該氧化物顆粒與磁鐵礦的晶體結構一致（圖2d-e）。嵌入在球形鐵硫化物顆粒中的鐵氧化物顆粒被確定為亞微米級的磁鐵礦晶體。
研究顯示，結合嫦娥五號月壤中球形鐵硫化物顆粒內部的複雜礦物相關係，通過熱力學計算，得到該溶氧鐵硫化物內部的磁鐵礦與金屬鐵的共存是FeO共析反應的結果（4FeO = Fe3O4+ Fe）。研究基於此類獨特的鐵硫化物顆粒的形貌特徵以及化學特徵，推測該顆粒可能經歷了含氧矽酸鹽氣體與鐵硫化物熔融液滴的氣-液相反應過程。矽酸鹽的氣化、氧的溶解以及磁鐵礦與金屬鐵顆粒相的平衡析出等典型特徵，暗示了嫦娥五號月壤中溶氧鐵硫化物顆粒是月表的大型撞擊事件的產物。
自阿波羅時代以來，月表磁異常是月球研究的重要科學問題之一，其成因仍在爭論。基於前人研究，月表磁異常的產生取決於月球外部磁場的強度以及月表物質中鐵磁性礦物的含量。除了月核發動機的存在（39億年前），撞擊過程已被證明是月殼中產生外部磁場的關鍵途徑之一（Crawford and Schultz, 1988）。然而，關於月表鐵磁性礦物的形成和分布尚不清楚，相對於地球物質而言，月球內生的火成岩物質通常表現為較弱的磁學特性，因此較難將已知的月球內生火成岩與月表磁異常聯繫起來。
Wieczorek等通過對月球南極艾肯盆地的撞擊事件進行數值模擬發現，來自大型撞擊的球粒隕石物質（鐵鎳金屬）可以為月表提供高含量的鐵磁性礦物，且這些鐵磁性礦物的加入可以用來解釋艾肯盆地邊緣觀察到的磁異常現象（圖3）（Wieczorek et al., 2012）。此外，來自「月球勘探者」號的磁力計數據表明，月表磁異常的出現與月球撞擊盆地的形成密切相關。因此，與撞擊相關的物質可能是月表磁異常的最合理載體（Halekas et al., 2001）。大型撞擊事件涉及的極端高溫和高壓條件必然伴隨有強烈的物質轉化，而除了撞擊體直接加入的鐵磁性物質（如鐵鎳金屬）外，在大撞擊過程中新形成的鐵磁性礦物尚未被考慮過。科研人員對嫦娥五號月壤的研究結果表明，鐵硫化物在月球撞擊過程中會發生複雜的化學過程，其通過共析反應形成的高鐵磁性礦物（亞微米級磁鐵礦和金屬鐵）可能是月表鐵磁性礦物的重要貢獻之一。考慮到鐵硫化物是球粒隕石的重要組成礦物，這種反應可能發生在月表的大型撞擊事件中，同時，由於磁鐵礦和金屬鐵具有很高的磁化率，無論這些鐵磁性礦物是直接由撞擊體帶入還是通過鐵硫化物的反應間接形成，撞擊過程都會降低月表磁異常對月壤厚度的要求。
嫦娥五號著陸區表現出相對較弱的磁場強度，估計最大磁場強度僅為1.18 nT。儘管如此，本研究對於剖析月表磁異常成因具有重要意義：自阿波羅時代以來，人們對於月球上的鐵磁性礦物的認識以金屬鐵為主，我們在前人研究的基礎上提供了月表另一重要的鐵磁性礦物-磁鐵礦；（2）以往研究只建立了大型撞擊濺射物與月表磁異常之間相關性，而未關注撞擊過程中物質的轉化，我們的研究有效的建立了鐵磁性礦物的形成與撞擊事件之間的關聯。
相關研究成果發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家航天局月球樣品CE5C0400YJFM00505和CE5C0200YJFM00302的支持，並獲得中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、民用航天技術預先研究項目和中科院前沿科學重點研究計劃等的資助。
圖1.嫦娥五號月壤中含磁鐵礦的球形隕硫鐵顆粒
圖2.嫦娥五號球形鐵硫化物顆粒中磁鐵礦的成分及結構證據
圖3.南極艾肯盆地邊緣的磁異常分布特徵（圖片修改自Wieczorek et al., 2012）
來源：中國科學院地球化學研究所
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