原來月球真的會“生銹”！

科學家近日在嫦娥六號從月球背面帶回的月壤裏找到了月球“生銹”的證據——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乾燥無氧的認知，還為困擾科學界已久的月球磁異常成因，提供了一個全新的解釋。

月球古老“岩芯”記錄地質奧秘

在地球上，鐵製品暴露在潮濕空氣中會生銹，本質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，氧化還原反應是原子得失電子的化學反應。而在宇宙中，一個天體的表面環境是易“氧化”還是易“還原”，深刻影響着其地質演化過程。

以月球為例，氧化還原反應就是藏在月壤中的“化學日記”，記錄着月球自形成以來所經歷的內外動力學地質過程。通過分析月球礦物的氧化還原狀態，可以推斷月球早期形成與演化過程中發生的物質轉化過程，為我們解讀月球的地質和環境演化歷史提供關鍵線索。

此類研究還具有重要的現實意義。截至目前，國內外載人探月任務均貫徹原位資源利用理念，而研究月球表面曾經發生的氧化還原反應，有助於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，因此月球表面的環境表現出較強的還原性。來自月球岩漿作用形成的岩石樣品分析也顯示，鐵元素在月球岩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中，一些科學家窺探到了新答案。比如，月球礦物繪圖儀的繞月觀測數據暗示，月球高緯度區域可能廣泛分佈着赤鐵礦；在研究嫦娥五號月球樣品時，我國科學家在撞擊形成的玻璃中發現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，月球局部區域可能存在人類未知的氧化過程。

然而，繞月遙感數據和局部分析只是間接線索，科學家此前始終未能在月球樣品中找到確鑿的、結晶良好的全三價鐵礦物（如赤鐵礦）的直接證據。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生的？

嫦娥六號任務為解決這個問題提供了契機。嫦娥六號着陸的月球南極—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，還有可能由於撞擊尺度的強烈，而産生了完全不同的物質轉化過程。在這裡採樣，有可能獲取到月球最古老、最特殊的“歷史岩芯”，這對理解月球的形成和早期演化具有無可替代的價值，也為發現月球氧化作用過程打開一扇獨特的窗口。

一粒月塵解開月球“生銹”之謎

此前，科學家通過衛星遙感數據和實驗室模擬試驗，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生氧化反應産生了鐵銹。但根據離子能量推算，地球風中的氧離子對月球含鐵礦物的穿透深度通常低於100納米，所以微米尺度赤鐵礦相的形成，並不能歸因於地球風對含鐵礦物的輻照。

此次由山東大學、中國科學院地球化學研究所、雲南大學組成的聯合團隊，對嫦娥六號月背樣品展開了深入研究，最終找到了月球上産生鐵銹的關鍵物證，解開了月球氧化之謎。

聯合團隊通過使用電子顯微鏡等技術手段發現，月壤中赤鐵礦顆粒的直徑只有頭髮絲直徑的幾十分之一，它們覆蓋在隕硫鐵礦物的表面，並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，研究人員發現，鐵氧化物呈現出明顯的疊層結構。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。結合元素比例、晶體結構以及關鍵的鐵元素價態等多方面的結果，聯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晶良好的微米級赤鐵礦和磁赤鐵礦。

那麼，此次新發現的鐵銹究竟是如何産生的呢？依據赤鐵礦樣品産狀和成分特徵，聯合團隊描繪出這樣一幅生動而全新的圖景：數十億年前，一顆小行星猛烈撞擊月球背面，撞擊瞬間産生了超過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，並形成一個短暫的、局部富氧的氣體雲團。在這個氣體雲團邊緣區域，高溫使隕硫鐵礦物中的硫元素逃逸，重獲“自由”的鐵原子和氣體雲團中的氧在高溫下結合形成氧化鐵。隨着氣體雲團逐漸冷卻，這些氧化鐵像水蒸氣凝結成霜一樣，緩慢沉積形成赤鐵礦晶體。

此次的新發現表明，月球表面並非絕對的還原環境，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“太空化學反應器”，能夠觸發局部強氧化環境的關鍵機制，是月球“氧化”以及月球表面化學多樣性的原因之一。

為破解月球磁異常提供線索

此次的新發現，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域的磁場強度顯著高於周圍平均水平的特殊現象。這種現象在月球表面分佈廣泛而零散，且與月面高地、月海等主要地質特徵沒有清晰的對應關係。其最令人着迷的表現形式之一是“月球漩渦”，位於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，外觀上與遍佈月表的環形山極度相似。但月表高程數據顯示，這片區域並沒有地形起伏，而是一片平坦的“平原”。目前主流的科學解釋認為，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，其産生的微磁層可以偏轉太陽風粒子，使該區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，科學家通過分析月球岩石樣本發現，月球曾經擁有強大的全球磁場，並且在距今約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，甚至一度超過現在的地球磁場強度（約30微特斯拉）。然而月球遙感探測結果卻得出了“大相徑庭”的結論：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域存在着局部、相對地球較為微弱的磁性，磁場強度可達數百納特斯拉。

月球磁場為何會異常？以往，科學家認為在月球早期歷史中，其內部可能存在一個活躍的“磁發電機”，如地核的熔融外核一般快速運動産生全球磁場。月球磁異常現象就是古老磁場將熔岩磁化、冷卻後，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化的過程中，一定會形成一種中間産物——磁鐵礦。它與磁赤鐵礦一樣，都是月球表面潛在的載磁礦物，這一發現對於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、氧含量較低的區域，由不充分的氧化反應生産出磁性礦物。這為未來月球磁異常研究打開了一扇新的大門，即某些磁異常可能並非全部源於月球內部古老的“磁發電機”，而可能是由撞擊過程産生的磁性礦物所貢獻。

這一新發現，不僅增強了我們對於月球物質成分複雜性的認知，也為研究月球南極—艾特肯盆地形成時發生的物質轉化過程以及磁化過程提供了關鍵的樣品實證。

未來，隨着中國探月工程不斷推進，通過對磁異常區的就位探測、樣品返回或實驗室模擬等手段，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。

（作者：劉毅恒、陳劍、凌宗成，分別係山東大學空間科學與技術學院博士研究生；助理研究員；教授）