月球是近40億年來太陽系內撞擊歷史最完整的記錄，小行星撞擊通量的確定成為月球表面撞擊坑和地外天體統計測年的基礎。 但是，在40億年的時間裡，撞擊月球的小行星型別是否隨著時間的推移而發生了變化？ 機制是什麼？ 這些都是關於太陽系演化的重大科學問題。 由於月球沒有小行星的大氣減速，小行星以極高的速度（10-20公里/秒）撞擊月球表面，不僅形成撞擊坑，而且在這次高能事件中將小行星本身融化和汽化，大部分物質與月球土壤混合，難以識別， 而且要確定小行星的型別就更難了。目前，在月球樣本中僅發現3顆隕石碎片和最確定的**隕石碎片（碳質球粒隕石、固態球粒隕石和普通球粒隕石各1塊）。 這些隕石碎片的型別是可以識別的，因為它們很大並且含有剩餘的矽酸鹽物質。 對包括嫦娥五號在內的樣品的分析表明，高達1%的隕石物質實際上混入了月球土壤中，而且大部分隕石物質都含有金屬顆粒，很容易分類。 如果可以通過分析月球土壤中的金屬顆粒來識別小行星的型別，則有可能獲得地質史上撞擊月球表面的小行星型別的分布和可能的變化。
為了驗證上述想法，中國科學院地質與地球物理研究所博士生劉曉穎在她的導師、研究員林阳婷的指導下，對嫦娥五號月球土壤中發現的金屬碎片進行了詳細的礦物化學和晶體結構分析。 金屬碎片大小約為250微公尺，呈球形，主要由馬氏體（由鎳粒石淬火）、鐵素體、隕石磷酸鐵鎳礦和微量鎳黃鐵礦組成，表面附著少量類似於嫦娥五號玄武岩的膠結（圖1）。 此外，隕石鐵鎳礦和鐵氧體區域含有大量的奈米顆粒，這些奈米顆粒基本上是定向排列的。 光譜掃瞄和電子探針分析結果表明，金屬碎片各區域的組成相對均勻（圖1）。 根據各面積的面積比例，推斷該金屬碎片的整個岩石成分為：Fe 871wt%，ni~10.8wt%，p~1.51wt%，co~0.76wt%，以及 s 007wt%。
圖1 金屬碎片的背散射電子影象和光譜掃瞄結果
這種金屬碎片的礦物成分以及主要元素和微量元素特徵與月球本身有很大不同。 目前，月球樣品中沒有內源性**金屬的報道，Ni含量差異很大（<1重量%至40重量%），但大部分鎳含量較低，鎳與Co的比例也很小（圖2a）。 這與嫦娥五號月球土壤中發現的含隕石金屬碎片及其Ni含量和Ni Co比特徵不符。 這些特徵與隕石中的金屬相似，表明該金屬碎片很可能是隕石**（圖2a）。 因此，將富含P、富Ni、S貧的主要元素和微量元素特徵的金屬碎片的礦物成分與各種隕石中的金屬進行綜合比較，發現該金屬碎片與已知的IID型鐵隕石一致，屬於起源於外太陽系的稀有鐵隕石（圖2）。
圖2 金屬碎片的識別
金屬碎片在撞擊月球表面時僅經歷了低程度的部分熔化，在很大程度上保留了其原始的結構特徵和礦物成分（圖3）。 根據Fe-Ni-P相圖可以看出，該金屬碎片的母體在撞擊月球之前經歷了以下結晶序列：鎳條+液相鎳圖+液相+隕石鎳化石鎳石磕鐵礦+隕石鐵磕磕鐵礦+隕石鐵磕磕鐵石，與金屬碎片的結構一致。 由於撞擊產生的高溫加熱，結晶溫度低的鐵氧體和隕石部分熔化形成富磷熔體，而結晶溫度高的鎳基本沒有熔化，保持了原有的結構（圖3）。 後來，由於快速淬火和冷卻，富P熔體迅速結晶形成隕石鐵鎳礦，進一步降溫後析出奈米級金屬顆粒，鎳粒石也在此階段發生馬氏體轉變（圖3）。 根據相圖和部分熔化特徵，這次撞擊事件的峰值溫度估計在700到1000之間，這表明金屬碎片可能是低速撞擊的殘餘物，或者鬆散和多孔的月球土壤使小行星撞擊器的更多部分在高速撞擊下得以儲存。
圖3 金屬碎片撞擊月球表面後形成演化的示意圖
研究證實，即使撞擊殘骸僅是金屬，也可以根據金屬碎片的巖相和礦物化學特性來識別小行星撞擊器的型別。 在未來的探月任務中，可以通過磁分離在不同月表年齡的著陸區收集大量金屬顆粒，並對其進行識別和分析，有望揭示地月空間中小天體的分布及其隨時間推移的演化模式，為太陽系行星軌道的動態演化提供新的重要引數。
研究成果發表在學術期刊《科學通報》（Xiaoying Liu， Lixin Gu， Hengci Tian， Jing Li， Xu Tang， Sen 胡， Yangting Lin* first classification of iron meteorite fragment preserved in chang’e-5 lunar soils [j]. science bulletin, 2024, 69 (4): 554-561. doi:10.1016/j.scib.2023.12.032.）。該研究得到了國家自然科學計畫（42230206、42241152、42103035）和中國科學院重點研究計畫（qyzdj-ssw-dqc001）的支援。
編輯：傅世旭（華東師範大學）
校對：萬鵬