科学家最近在嫦娥六号从月球背面带回的月球土壤中发现了月球“铁锈”（微米大小的赤铁矿和磁赤铁矿晶体）的证据。如你所知，这不是普通的铁锈。它彻底改变了我们对月球干旱缺氧的认识。它还为长期以来困扰科学界的月球磁异常原因提供了新的解释。
在地球上，铁制品暴露在潮湿的空气中会生锈。本质上，金属铁原子与氧原子相遇形成氧化铁。相比之下，地球上的铁矿石通常以氧化铁的形式存在。冶炼过程导致氧化铁失去氧原子，产生金属铁。简单来说，氧化还原反应就是原子获得或失去电子的化学反应。在太空中，天体表面环境是否容易氧化或还原，对地质演化影响很大。
以月球为例，氧化还原反应是一个“c隐藏在月球土壤中的“半日记”，记录了月球自形成以来所经历的动态的内外地质过程。通过分析月球矿物的氧化还原状态，可以推断月球形成和早期演化过程中发生的物质转变过程，为解释月球地质和环境演化历史提供重要线索。
这项研究具有重要的实际意义。迄今为止，国内外载人探月任务都引入了原地资源利用的概念。研究月球表面发生的氧化还原反应，有助于识别月球表面存在的物质，减少宇航员在月球表面活动过程中产氧物质的向上压力，可以有效延长宇航员在月球表面的工作时间。
长期以来，科学界普遍认为相信月球是一颗不呼吸的行星。与有大气层保护的地球不同，月球直接暴露在太阳风中，而太阳风中的氢具有很强的还原力，使得月球表面环境非常还原。对月球岩浆形成的岩石样品的分析也表明，铁主要以金属铁或二价铁的形式存在于月球岩石矿物中，具有氧化性和不易氧化性。
“月亮缩小”的想法根深蒂固，但一些科学家根据证据的线索，瞥见了新的答案。例如，月球矿物测绘仪提供月球观测数据。数据表明，赤铁矿可能广泛分布在月球高纬度地区。中国科学家在研究嫦娥五号月球样本时，在撞击形成的玻璃中发现了撞击玻璃的小磁铁矿和少量三价铁的痕迹……这些线索似乎表明，月球局部地区月球可能存在人类未知的氧化过程。
然而，遥感数据和对月球周围环境的局部分析仅提供了间接线索。科学家们始终无法找到明确的、结晶良好的直接证据来证明月球样本中存在全含铁矿物（例如赤铁矿）。如果没有这些物理证据，我们就无法回答矿物是否可以形成的精确问题。它在月球上自然被高度氧化。如果是这样，这个过程是如何发生的？
嫦娥六号任务为解决这一问题提供了契机。嫦娥六号着陆的月球南极艾特肯盆地是月球上最大、最古老的撞击坑，也是宇宙中最大的撞击坑。太阳系中最大的撞击坑之一。形成盆地的撞击不仅穿透月壳，从月球深处甚至月幔中挖掘出物质，而且还引发了完全不同的物质变形。化过程，具体取决于影响的大小。通过这里采样，你可以得到月球最古老、最特殊的“历史核心”。这对于了解月球的形成和早期演化非常宝贵，也为发现月球氧化过程打开了一个独特的窗口。
一粒月球尘埃解开了月球氧化物之谜
此前，科学家利用卫星遥感数据和实验室模拟测试认为，月球“铁锈”可能是由于地球高层大气中的氧气“吹”到月球表面，与月壤中的含铁矿物质发生反应，形成铁锈所致。然而，根据离子能量计算，地球风中的氧离子对月球含铁矿物的渗透深度通常小于100纳米，因此微米级赤铁矿相的形成不能归因于地球风对含铁矿物的照射。
这次，在山东大学大学、中国科学院地球化学研究所和云南大学。联合团队对嫦娥六号背面的样本进行了详细研究，最终发现了月球氧化的重要物理证据，揭开了月球氧化的奥秘。
利用电子显微镜等技术，联合团队发现月壤中赤铁矿颗粒的直径只有人类头发直径的十分之几。它们覆盖矿物硫陨石的表面，并完全封闭在通过冲击形成的富硅玻璃中。研究人员利用扫描电子显微镜观察这些矿物的微形貌，发现氧化铁呈现出清晰的层状结构。研究人员利用拉曼光谱、电子能量损失光谱和X射线能谱等三种高精度化学成分分析仪，证实这些晶体由铁和氧组成，没有其他元素。结合主要铁元素的元素比、晶体结构和价态等多方面的结果，联合团队最终确定嫦娥六号月球背面样品中存在结晶良好的微米级赤铁矿和磁赤铁矿。
那么新发现的铁锈是如何产生的呢？根据赤铁矿样品的外观和成分特征，联合团队描绘了一幅生动的、全新的图景。原来，数十亿年前，一颗小行星与月球背面相撞。撞击瞬间产生了超过3000摄氏度的极高温度，瞬间蒸发了月球表面的硅酸盐和氧化物矿物，并局部形成了短暂的富含氧气的气体云。在该气体云边缘的区域，高温将硫元素释放到矿物硫陨石中，以及气体云中的“游离”铁原子和氧在高温下结合形成氧化铁。随着气体云逐渐冷却，这些铁氧化物慢慢沉积在赤铁矿晶体上，就像水蒸气凝结成霜一样。
这一新发现表明，月球表面并不是一个绝对还原的环境，在某些条件下，可以形成高度氧化的矿物质。这让我们了解到，大规模撞击就像太空中强大的“宇宙化学反应堆”，可以引发局部强氧化环境的重要机制，这也是月球的“氧源”。离子”，也是月球表面化学多样性的原因之一。
破译月球磁异常的线索提供经济帮助
这一新发现不仅回答了月球为何“生锈”的问题，还为解开另一个月球之谜：月球磁异常提供了重要线索。
月球磁异常是一种特殊现象，其中磁场强度月球表面的一些局部区域明显高于周围的平均水平。这种现象在月球表面广泛分布，与月球高地、海洋等重要地质特征没有明显的对应关系。其最迷人的现象之一是“月球涡旋”，位于月球海洋点西部的伽马涡旋就是一个很好的例子。当通过望远镜观察时，它只是一个明亮的旋转点，很像点缀在月球表面的陨石坑。然而，月面高程数据显示，这一区域并不是起伏的地形，而是一片“平原”的地势。目前的科学解释是，由于太阳风的长期影响，月球土壤变得越来越暗，月球涡旋下方存在强磁异常区域。它产生的微磁层可以偏转太阳风粒子，保护该地区的月球土壤免受太阳风的影响。辐射，使其保持明亮的外观。值得注意的是，嫦娥四号观测到月球背面存在弱磁层。
20世纪70年代，科学家通过分析月球岩石样本发现，月球曾经拥有强大的全球磁场。大约42.5亿至35.6亿年前，月球偶极子磁场强度达到数十微特斯拉，甚至可能超过了当前地球磁场强度（约30微特斯拉）。然而，远程探测月球的结果却得出了“完全不同”的结论。这意味着月球目前不仅缺乏像地球那样的全球偶极子磁场，而且大多数局部磁场都小于1纳特斯拉。但与地球相比，当地的磁场相对较弱，例如在南极洲艾特肯盆地的北端，磁场强度可达数百纳特斯拉。
为什么是月球磁场如此不寻常？此前，科学家认为，在月球历史早期，月球内部可能存在一个活跃的“磁发生器”，它像地球熔融的外核一样快速移动，产生全球磁场。月球磁异常是月球古代磁场的化石记录，是古代磁场磁化并冷却熔岩后形成的。然而，这项研究表明，当陨铁石转化为赤铁矿时，必须形成中间产物磁铁矿。与磁赤铁矿一样，它是一种可以将磁铁运送到月球表面的矿物。这一发现对于磁异常的形成和演化具有重要意义。研究表明，当发生大的撞击时，最终温度低、氧含量低的区域会因氧化反应不充分而产生磁性矿物。这为未来研究月球磁异常打开了新的大门。这意味着一些磁异常可能并不全部源自月球内古代的“磁发生器”，而可能是由撞击过程中产生的磁性矿物造成的。
这一新发现不仅增加了我们对月球母体成分复杂性的认识，而且为研究月球南极艾特肯盆地形成时发生的物质变化提供了基础。该过程和磁化过程提供了重要的样品测试。
未来，随着我国探月工程的不断推进，通过磁异常区域的原位探测、样本返回或实验室模拟，将能够更深入地揭示月球磁异常的成因和变化，破译更多的月球演化密码。
（作者：刘以恒、陈健、凌宗成，分别为沙县空间科学与技术学院博士生、研究助理、教授）东大学）
《光明新闻》（2025年12月11日第16页）【编辑：术池】
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