數(shù)十億年來，月球表面遭受了強烈的太空風(fēng)化作用，包括微隕石撞擊、太陽風(fēng)及銀河宇宙射線的輻射等。這些過程極大地改造了月球表面物質(zhì)的微觀形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，進而影響了月球的光譜特征。深入研究太空風(fēng)化過程與機理，是認(rèn)識月球表面物質(zhì)演化的關(guān)鍵，并為其他行星的宜居環(huán)境和演化提供了不可替代的作用。

撞擊作用是改造月壤物質(zhì)的最重要營力。較大的撞擊造成月表物質(zhì)的熔融、汽化和高壓相變，而亞微米到微米級尺寸的撞擊則會在月壤顆粒表面形成撞擊微坑。這些微坑不但記錄了月表的撞擊環(huán)境，還為理解月球表面超高速撞擊過程提供了天然實驗室。然而，阿波羅月壤受限于當(dāng)時的微區(qū)分析技術(shù)，未能得到詳細的精細結(jié)構(gòu)分析。嫦娥五號是我國首個實施無人月面取樣返回的月球探測器，并帶回來了1731克月壤樣品，為我們系統(tǒng)認(rèn)識月表物質(zhì)的后期演化和空間環(huán)境（撞擊通量、速度等）提供了絕佳的機會。但是，但對于這些信息的解讀目前仍然處于探索階段。

基于這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所電子顯微鏡實驗室谷立新高級工程師、行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點實驗室林楊挺研究員、深層油氣理論與智能勘探開發(fā)重點實驗室李金華研究員，聯(lián)合北京高壓科學(xué)中心陳永金副研究員、中科院國家空間科學(xué)中心徐于晨副研究員等，通過先進的電子顯微學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)研究了嫦娥五號顆粒表面亞微米到微米尺寸微隕石坑的形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和元素價態(tài)變化，揭示了月表超高速撞擊與太陽風(fēng)輻照的協(xié)同作用機制。

統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號月壤顆粒表面撞擊微坑的密度相比于阿波羅樣品要小的多，且大多數(shù)撞擊微坑是由二次撞擊形成的，這些撞擊體來源于附近較大的撞擊事件中產(chǎn)生的碎片。最典型的是其中一些撞擊微坑在空間上呈聚集分布（圖1d和圖1f）。而要判斷來源于微隕石撞擊要復(fù)雜得多。除了結(jié)合特殊元素（如富Ni），撞擊微坑的直徑/深度比也可能是一個有效的指示特征（圖2c）。同時，基于沖擊熔融特征，可以推斷二次撞擊體的速度有相當(dāng)一部分可以超過1km/s。由于二次撞擊過程廣泛發(fā)生于月球表面，它們對月壤物質(zhì)的改造作用（如空間風(fēng)化、破碎和翻耕等）可能比以往認(rèn)為的更為顯著。

圖1月壤顆粒不同礦物和玻璃表面亞微米到微米尺度的撞擊微坑

從撞擊微坑的剖面結(jié)構(gòu)上可以看出（圖2），其典型構(gòu)造包含沖擊熔融層、非晶層和缺陷密集區(qū)。值得注意的是，不同微坑的發(fā)育特征因撞擊速度和基質(zhì)成分的不同而呈現(xiàn)顯著差異（圖3）。在微坑內(nèi)，存在多種形態(tài)和分布特征的納米金屬鐵。它們通常被自然的認(rèn)為是撞擊成因，然而，一個重要但長期被忽略的問題是這些顆粒在撞擊之前是否已經(jīng)受到了較長時間的太陽風(fēng)輻照等風(fēng)化效應(yīng)？通過與遠離撞擊微坑的太陽風(fēng)輻照損傷層相對比，研究發(fā)現(xiàn)撞擊微坑內(nèi)的納米金屬鐵不能簡單的歸因于單一的撞擊作用，還可能是太陽風(fēng)輻照與微尺度撞擊共同作用形成的。通過精細結(jié)構(gòu)表征，他們提出了太陽風(fēng)輻照與微隕石撞擊時間序列的判別指標(biāo)，并揭示了二者可能的疊加效應(yīng)。此外，在微坑中還檢測到少量非基質(zhì)的物質(zhì)成分，這有助于判斷其形成過程，但其真實撞擊體物質(zhì)及來源仍存在較大不確定性。

圖2一顆輝石表面撞擊微坑的微觀結(jié)構(gòu)和成分特征

圖3月壤顆粒表面亞微米到微米尺寸撞擊微坑的形成過程及剖面結(jié)構(gòu)示意圖

這項研究表明空間風(fēng)化過程和作用機制比先前認(rèn)為的更為復(fù)雜多樣，為理解月球表面材料的超高速撞擊過程和空間風(fēng)化效應(yīng)提供了新的見解，并將有助于深化人們對太陽系中其他無大氣天體表面物質(zhì)演化的認(rèn)識。同時，也為后續(xù)進一步深入研究月表超高速微尺度撞擊過程和撞擊環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。

研究成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GCA（谷立新，林楊挺*，陳永金*，徐于晨，唐旭，李金華*. Submicron-scale craters on Chang'e-5 lunar soils: records of complex space weathering processes [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2025, 398: 139-151. DOI: 10.1016/j.gca.2025.04.004.）。研究受國家自然科學(xué)基金項目(42103035, 42241105, 42103035, 42241152)、中國科學(xué)院重點部署項目(ZDBS-SSW-JSC007, QYZDJ-SSW-DQC001)和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目(IGGCAS-202101, IGGCAS-202401)共同資助。