數(shù)十億年來(lái)，月球表面遭受了強(qiáng)烈的太空風(fēng)化作用，包括微隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)及銀河宇宙射線的輻射等。這些過(guò)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(jìn)而影響了月球的光譜特征。深入研究太空風(fēng)化過(guò)程與機(jī)理，是認(rèn)識(shí)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(yíng)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(jí)尺寸的撞擊則會(huì)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(guò)程提供了天然實(shí)驗(yàn)室。然而，阿波羅月壤受限于當(dāng)時(shí)的微區(qū)分析技術(shù)，未能得到詳細(xì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)分析。嫦娥五號(hào)是我國(guó)首個(gè)實(shí)施無(wú)人月面取樣返回的月球探測(cè)器，并帶回來(lái)了1731克月壤樣品，為我們系統(tǒng)認(rèn)識(shí)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(jī)會(huì)。但是，但對(duì)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(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室谷立新高級(jí)工程師、行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室林楊挺研究員、深層油氣理論與智能勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家空間科學(xué)中心徐于晨副研究員等，通過(guò)先進(jìn)的電子顯微學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)研究了嫦娥五號(hào)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(jià)態(tài)變化，揭示了月表超高速撞擊與太陽(yáng)風(fēng)輻照的協(xié)同作用機(jī)制。

統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)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(lái)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(lái)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(gè)有效的指示特征（圖2c）。同時(shí)，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(guò)1km/s。由于二次撞擊過(guò)程廣泛發(fā)生于月球表面，它們對(duì)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(gè)重要但長(zhǎng)期被忽略的問(wèn)題是這些顆粒在撞擊之前是否已經(jīng)受到了較長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)風(fēng)輻照等風(fēng)化效應(yīng)？通過(guò)與遠(yuǎn)離撞擊微坑的太陽(yáng)風(fēng)輻照損傷層相對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)撞擊微坑內(nèi)的納米金屬鐵不能簡(jiǎn)單的歸因于單一的撞擊作用，還可能是太陽(yáng)風(fēng)輻照與微尺度撞擊共同作用形成的。通過(guò)精細(xì)結(jié)構(gòu)表征，他們提出了太陽(yáng)風(fēng)輻照與微隕石撞擊時(shí)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(cè)到少量非基質(zhì)的物質(zhì)成分，這有助于判斷其形成過(guò)程，但其真實(shí)撞擊體物質(zhì)及來(lái)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(guò)程及剖面結(jié)構(gòu)示意圖

這項(xiàng)研究表明空間風(fēng)化過(guò)程和作用機(jī)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(guò)程和空間風(fēng)化效應(yīng)提供了新的見(jiàn)解，并將有助于深化人們對(duì)太陽(yáng)系中其他無(wú)大氣天體表面物質(zhì)演化的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，也為后續(xù)進(jìn)一步深入研究月表超高速微尺度撞擊過(guò)程和撞擊環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。

研究成果近期發(fā)表于國(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42103035, 42241105, 42103035, 42241152)、中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(ZDBS-SSW-JSC007, QYZDJ-SSW-DQC001)和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目(IGGCAS-202101, IGGCAS-202401)共同資助。