嫦娥五號月壤中發現撞擊成因的亞微米級磁鐵礦

　　磁鐵礦通常涉及古磁場以及地外生命等重大科學問題，因此在行星科學領域備受學者關注。月球表面極端的還原環境使得月壤中的鐵元素主要以二價鐵離子（Fe2+）和零價鐵（Fe0）為主，在阿波羅時代僅有非常少量的三價鐵離子（Fe3+）及其賦存礦物被直接探測到。隨著樣品分析以及遙感探測技術的提升，大量數據指示了月表Fe3+的分布，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，然而這些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，尤其對于月球原生磁鐵礦的形成機制以及分布特征目前仍不明確。

　　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致的原位微區分析，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復雜的氣液反應，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，為學術界關于月壤中可能廣泛存在原生磁鐵礦的猜測提供了直接證據，同時也能夠為月球表面磁異常等重大科學問題的解釋提供了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，目前對于月球樣品中鐵元素的還原行為研究已經非常深入，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最好證明(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我們不得不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，但它在月球樣品中很少被報道。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結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等人（2015）通過細致的礦物學分析在Apollo月巖樣品中確定了微米級磁鐵礦晶體的存在，并認為它們與外源性的碳質球粒隕石或者彗星等撞擊體密切相關，然而這只是月球樣品中的個例，并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廣泛分布仍然是一個謎，其形成機制也不得而知。

　　嫦娥五號球形鐵硫化物顆粒內部的磁鐵礦晶體

　　嫦娥五號任務成功地從年輕的月海玄武巖單元（Em4/P58，~20億年）返回了1.731 kg的月壤物質，盡管樣品的分析結果表明幾乎所有的嫦娥五號月壤都是來自于當地物質，但是仍然有少部分的月壤顆粒（<5%）是來自于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巖具有年輕的形成年齡，并且該地區月壤受到的后期改造過程較為有限，因此嫦娥五號月壤中極大可能的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細致的研究工作，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征，具體表現為純金屬鐵的觸須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征并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和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譜介于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+，并且其比例約為1:2，這與磁鐵礦的化學成分一致（圖2c）。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，最終確認了該氧化物顆粒與磁鐵礦的晶體結構一致（圖2d-e）。綜上，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。