月球是近40亿年来太阳系内撞击历史最完整的记录，小行星撞击通量的确定成为月球表面撞击坑和地外天体统计测年的基础。 但是，在40亿年的时间里，撞击月球的小行星类型是否随着时间的推移而发生了变化？ 机制是什么？ 这些都是关于太阳系演化的重大科学问题。 由于月球没有小行星的大气减速，小行星以极高的速度（10-20公里/秒）撞击月球表面，不仅形成撞击坑，而且在这次高能事件中将小行星本身融化和汽化，大部分物质与月球土壤混合，难以识别， 而且要确定小行星的类型就更难了。目前，在月球样本中仅发现3颗陨石碎片和最确定的**陨石碎片（碳质球粒陨石、固态球粒陨石和普通球粒陨石各1块）。 这些陨石碎片的类型是可以识别的，因为它们很大并且含有剩余的硅酸盐物质。 对包括嫦娥五号在内的样品的分析表明，高达1%的陨石物质实际上混入了月球土壤中，而且大部分陨石物质都含有金属颗粒，很容易分类。 如果可以通过分析月球土壤中的金属颗粒来识别小行星的类型，则有可能获得地质史上撞击月球表面的小行星类型的分布和可能的变化。
为了验证上述想法，中国科学院地质与地球物理研究所博士生刘晓颖在她的导师、研究员林阳婷的指导下，对嫦娥五号月球土壤中发现的金属碎片进行了详细的矿物化学和晶体结构分析。 金属碎片大小约为250微米，呈球形，主要由马氏体（由镍粒石淬火）、铁素体、陨石磷酸铁镍矿和微量镍黄铁矿组成，表面附着少量类似于嫦娥五号玄武岩的胶结（图1）。 此外，陨石铁镍矿和铁氧体区域含有大量的纳米颗粒，这些纳米颗粒基本上是定向排列的。 光谱扫描和电子探针分析结果表明，金属碎片各区域的组成相对均匀（图1）。 根据各面积的面积比例，推断该金属碎片的整个岩石成分为：Fe 871wt%，ni~10.8wt%，p~1.51wt%，co~0.76wt%，以及 s 007wt%。
图1 金属碎片的背散射电子图像和光谱扫描结果
这种金属碎片的矿物成分以及主要元素和微量元素特征与月球本身有很大不同。 目前，月球样品中没有内源性**金属的报道，Ni含量差异很大（<1重量%至40重量%），但大部分镍含量较低，镍与Co的比例也很小（图2a）。 这与嫦娥五号月球土壤中发现的含陨石金属碎片及其Ni含量和Ni Co比特征不符。 这些特征与陨石中的金属相似，表明该金属碎片很可能是陨石**（图2a）。 因此，将富含P、富Ni、S贫的主要元素和微量元素特征的金属碎片的矿物成分与各种陨石中的金属进行综合比较，发现该金属碎片与已知的IID型铁陨石一致，属于起源于外太阳系的稀有铁陨石（图2）。
图2 金属碎片的识别
金属碎片在撞击月球表面时仅经历了低程度的部分熔化，在很大程度上保留了其原始的结构特征和矿物成分（图3）。 根据Fe-Ni-P相图可以看出，该金属碎片的母体在撞击月球之前经历了以下结晶序列：镍条+液相镍图+液相+陨石镍化石镍石磕铁矿+陨石铁磕磕铁矿+陨石铁磕磕铁石，与金属碎片的结构一致。 由于撞击产生的高温加热，结晶温度低的铁氧体和陨石部分熔化形成富磷熔体，而结晶温度高的镍基本没有熔化，保持了原有的结构（图3）。 后来，由于快速淬火和冷却，富P熔体迅速结晶形成陨石铁镍矿，进一步降温后析出纳米级金属颗粒，镍粒石也在此阶段发生马氏体转变（图3）。 根据相图和部分熔化特征，这次撞击事件的峰值温度估计在700到1000之间，这表明金属碎片可能是低速撞击的残余物，或者松散和多孔的月球土壤使小行星撞击器的更多部分在高速撞击下得以保存。
图3 金属碎片撞击月球表面后形成演化的示意图
研究证实，即使撞击残骸仅是金属，也可以根据金属碎片的岩相和矿物化学特性来识别小行星撞击器的类型。 在未来的探月任务中，可以通过磁分离在不同月表年龄的着陆区收集大量金属颗粒，并对其进行识别和分析，有望揭示地月空间中小天体的分布及其随时间推移的演化模式，为太阳系行星轨道的动态演化提供新的重要参数。
研究成果发表在学术期刊《科学通报》（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.）。该研究得到了国家自然科学计划（42230206、42241152、42103035）和中国科学院重点研究计划（qyzdj-ssw-dqc001）的支持。
编辑：傅世旭（华东师范大学）
校对：万鹏