北京
▲嫦娥六號月壤研究揭示月表撞擊中的堿金屬原子冷凝新機(jī)制 （視頻由AI生成）
隕石高速撞擊月球表面，剎那間，數(shù)千度高溫讓月表巖石熔融氣化，濺射而出的微小液滴驟冷凝結(jié)，化作撞擊玻璃珠。它們?nèi)缤瑫r(shí)間膠囊，封存了撞擊瞬間的理化信息。
近日，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)以嫦娥六號采集的月壤撞擊玻璃珠為研究對象，揭示了月球高速撞擊過程中鈉、鉀等堿金屬的原子冷凝機(jī)制，提出了高速撞擊形成短暫大氣的氧化-還原機(jī)理，為無大氣天體表面的物質(zhì)循環(huán)研究提供了新視角。
研究發(fā)現(xiàn)，在撞擊產(chǎn)生的高溫（>2000 K）下，月表巖石蒸發(fā)形成硅酸鹽大氣，氧氣分子解離成氧原子并優(yōu)先逃逸，導(dǎo)致大氣局部缺氧。這種環(huán)境使鈉、鉀以原子形式作用于玻璃液滴表面，并通過氧化還原反應(yīng)在玻璃珠中留下了獨(dú)特的化學(xué)“指紋”——邊緣堿金屬富集、氧化亞鐵消耗、納米金屬單質(zhì)鐵生成。
01
獨(dú)特的化學(xué)“指紋”
研究團(tuán)隊(duì)在嫦娥六號月壤樣品中選出21顆撞擊玻璃珠并分為兩類。一類內(nèi)部均勻致密，由完全熔融后快速淬火形成；另一類含有未熔融的礦物碎屑，熔融不充分。
其中，兩顆玻璃珠結(jié)構(gòu)特殊，邊緣分布納米級金屬鐵顆粒，其成分屬于高地-月海混合型，與此前的嫦娥五號樣品成分不同，為驗(yàn)證堿金屬行為普適性提供對照樣本。
▲兩顆撞擊玻璃珠背散射電子圖像，及沿三個(gè)徑向的電子探針微區(qū)成分剖面分析位置示意圖
此后團(tuán)隊(duì)對兩顆玻璃珠開展中心到邊緣的高精度元素剖面分析，觀察到堿金屬從中心向邊緣富集，氧化亞鐵含量逐漸降低，邊緣出現(xiàn)大量納米級金屬鐵顆粒。
這種邊緣堿金屬富集-氧化亞鐵消耗-納米金屬鐵生成的特征，構(gòu)成了完整的化學(xué)“指紋”，表明玻璃珠邊緣曾經(jīng)歷特殊的氧化還原反應(yīng)。
02
缺氧驅(qū)動(dòng)原子冷凝
熱力學(xué)計(jì)算顯示，超高速撞擊可產(chǎn)生超過2000 K的瞬時(shí)高溫，使氧氣分子解離為氧原子。氧原子質(zhì)量更輕，會(huì)優(yōu)先逃逸到太空，導(dǎo)致蒸氣環(huán)境迅速缺氧。
正是這種缺氧環(huán)境，驅(qū)動(dòng)了獨(dú)特的氧化還原反應(yīng)：鈉、鉀原子把玻璃珠里的氧化亞鐵還原為金屬鐵，自身形成氧化物留在玻璃珠邊緣，再向內(nèi)部遷移并形成濃度差異。同時(shí)，兩顆玻璃珠極速冷卻，這種特征被瞬間“定格”并保留至今。
值得注意的是，這一堿金屬蒸發(fā)凝聚行為與月球火山玻璃珠不同。月球火山玻璃珠形成溫度低、氧氣不解離，使堿金屬以氧化物形式冷凝，不會(huì)還原氧化亞鐵、生成金屬鐵，證實(shí)溫度是決定堿金屬元素在月表行為的關(guān)鍵。
▲嫦娥六號月壤研究揭示月表撞擊中的堿金屬原子冷凝新機(jī)制（圖片由AI生成）
團(tuán)隊(duì)對比嫦娥六號和嫦娥五號帶回的玻璃珠發(fā)現(xiàn)，二者來源和成分差異顯著，但撞擊玻璃珠中卻有相同的化學(xué)“指紋”，由此證明鈉、鉀原子蒸氣凝聚不受母巖成分影響，是超高速撞擊固有的物理化學(xué)過程和月球表面普遍存在的機(jī)制，而且這種特征需要極速冷卻才能保留。
該研究深化了對月球表面揮發(fā)性元素行為的認(rèn)識，也為其他無大氣天體的表面物質(zhì)演化研究提供了理論支撐。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.epsl.2026.119980
作者：李明洋、許英奎、朱丹
來源：中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所
責(zé)任編輯：侯茜
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