嫦娥六號揭秘月球背面 “弱磁場-強磁性”之謎

嫦娥六號著陸的月球南極-艾特肯盆地（SPA）中心區(qū)域，以其異常微弱的地殼磁場信號而著稱。然而，對其返回的月球土壤樣品進行的磁學(xué)測量揭示了一個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：與以往獲取的月球正面樣品（包括阿波羅、月球號及嫦娥五號任務(wù)樣品）相比，嫦娥六號月壤展現(xiàn)出顯著更高的磁化率與飽和磁化強度，其飽和剩磁（Mrs）值更是迄今所有返回月球樣品中最高。這一“弱環(huán)境磁場”與“強土壤磁性”的顯著矛盾，構(gòu)成了亟待破解的核心科學(xué)問題。

為解開謎團，由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李金華研究員與潘永信院士領(lǐng)銜的研究團隊，利用嫦娥六號取自SPA盆地的珍貴月壤樣品，綜合應(yīng)用宏觀磁學(xué)-多種顯微學(xué)-微磁模擬等方法，精細(xì)區(qū)分了嫦娥六號月壤樣品中不同類型鐵磁性礦物的多種成因（內(nèi)生成因、撞擊成因等），厘清了鐵磁性礦物的復(fù)雜組合及其獨特的剩磁獲取機制，為理解月球磁場演化、月殼磁異常和空間風(fēng)化過程提供了關(guān)鍵約束。研究認(rèn)為，SPA盆地中心區(qū)相對較弱的地殼磁異常其根源可能是，月球內(nèi)部發(fā)電機顯著衰減或停止后（約十幾億年前）發(fā)生的多次撞擊事件，引發(fā)了反復(fù)的熱退磁作用，抹去了該區(qū)域早期記錄的強磁場信號。與此形成鮮明對比的是，SPA盆地西北邊緣顯著的月殼磁異常，其成因則指向富含隕石來源及撞擊成因金屬鐵的累積濺射物，這與先前的數(shù)值模擬結(jié)果一致。這項研究也對后續(xù)地外天體（如小行星和火星等）返回樣品以及隕石樣品的“磁性礦物-磁場-內(nèi)部結(jié)構(gòu)”的關(guān)聯(lián)研究有借鑒意義。

研究成果正式發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）正式發(fā)表（李金華*，邢琳，龔政，劉嘉瑋，劉延，吳魏偉，朱珂磊，王宇欽，唐旭，谷立新，陳意，李秋立，曹朝陽，劉雙遲，蔡書慧，潘永信，Magnetic signatures and origins of ferromagnetic minerals in Chang’e-6 lunar farside soils. Nat. Commun., 2025, 16:6218.）。本項目研究獲得國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目A類（原國家杰青項目，42225402）和國家自然科學(xué)基金卓越研究群體項目（原基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項目，42388101）以及中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所重點部署項目（IGGCAS-202401）資助。

圖1嫦娥六號月壤中鐵磁性礦物形成途徑及其相應(yīng)剩磁獲取機制示意圖。鐵磁性礦物形成途徑包括：月球巖漿分異結(jié)晶及玄武巖熔巖流冷卻，通過撞擊誘導(dǎo)熔融、外源隕石富鐵物質(zhì)的輸送與沉積導(dǎo)致的再結(jié)晶，撞擊形成球形納米至微米級金屬鐵顆粒，空間風(fēng)化過程（如太陽風(fēng)輻照和氣化沉積），這些多樣化的來源使得鐵磁性礦物表現(xiàn)出獨特的物理、化學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，從而能夠獲取多種類型的剩磁：熱剩磁 (TRM)，化學(xué)剩磁 (CRM)，沖擊剩磁 (SRM)，粘滯剩磁 (VRM)，沉積剩磁 (DRM)。這些剩磁在月球物質(zhì)中的共存，為解讀月球發(fā)電機歷史、地殼磁異常及表面風(fēng)化演化提供了關(guān)鍵約束。

01

想解鎖月球磁場的“前世今生”？

關(guān)鍵鑰匙是“載磁礦物”！

月球物質(zhì)中的鐵磁性礦物，如同記錄月球演化的獨特“日記本”，不僅銘刻著古老內(nèi)部發(fā)電機（dynamo）的興衰史詩，也留存了隕石撞擊、太空風(fēng)化等表面重大事件的印記。然而，月球的極端環(huán)境——無大氣、極度干燥、強還原性——使得地球常見的磁性礦物（如磁鐵礦）在此蹤跡難覓。

月球磁性的“核心擔(dān)當(dāng)”是金屬鐵及鐵鎳合金。它們的身世迥異：有的是月球自己“土生土長”（內(nèi)部巖漿活動形成的），有的是“天外來客”（隕石帶來的）。這些“載磁礦物”在顆粒大小、形態(tài)、鎳含量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)上千差萬別。正是這些差異，直接決定了它們記錄磁場信息的能力和長期保存磁信號的穩(wěn)定性。

月球南極艾特肯盆地（SPA）是月球最大、最古老（約42.5億年）的撞擊遺跡。其北部邊緣具有高磁異常，但盆地中心磁場卻相對微弱。這奇特的“強邊弱心”現(xiàn)象是理解古月球磁場演化的關(guān)鍵線索之一。

中國嫦娥六號（CE6）探測器精準(zhǔn)著陸于SPA盆地內(nèi)阿波羅隕石坑南緣，并成功采集月壤樣本返回地球。這份來自月球背面最古老盆地的珍貴“宇宙檔案”，為科學(xué)家提供了首次對月球背面的“土壤密碼”進行前所未有的“深度解析”的機會。

圖2嫦娥六號月壤的磁學(xué)特征。a. 南極-艾特肯盆地（SPA）內(nèi)嫦娥六號著陸點的地形圖。b. 嫦娥六號著陸區(qū)域附近月球表面投影的地殼磁場強度分布圖。c. 磁滯回線（黑色），以及相應(yīng)的等溫剩磁（IRM）獲得曲線（紅色）和直流退磁（DCD）曲線（藍色）。d. 一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）圖譜，展示磁疇狀態(tài)和相互作用。e. IRM獲得曲線的分解，揭示三個矯頑力組分。f-g. 散點圖，將嫦娥六號月壤與來自阿波羅（Apollo）、月球號（Luna）和嫦娥五號（Chang’e-5）任務(wù)的月球正面月壤進行對比：f. 低頻磁化率（χlf） 對比 飽和剩磁（Mrs）；g. 飽和磁化強度（Ms）對比 飽和剩磁（Mrs）。h. Fe?/FeO對比Is/FeO（鐵磁共振強度經(jīng)總鐵含量歸一化）圖，顯示嫦娥六號月壤具有高成熟度水平。

02

顯微慧眼溯源：

鎖定磁性礦物兩大“家族”和多種成因

為破解“弱場強磁”之謎，研究團隊動用了尖端顯微分析“武器庫”——三維X射線顯微鏡（3DXRM）、跨尺度的掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合背散射電子（BSE）成像與能譜（EDXS）元素分析，以及聚焦離子束-掃描電鏡-原子級分辨率掃描透射電子顯微鏡（FIB-SEM-TEM）關(guān)聯(lián)分析，如同擁有了“顯微慧眼”，成功將嫦娥六號月壤中的磁性礦物劃分為涇渭分明的兩大“家族”，并揭示了其多種成因：

（1）“月球原生派”（內(nèi)生成因--貧鎳鐵顆粒）：主要存在于玄武巖碎屑中。這些鐵顆粒形狀規(guī)則（自形），鎳含量極低。其形態(tài)和成分特征清晰指向它們源于月球內(nèi)部的巖漿活動，可能是月球遠古巖漿洋分異結(jié)晶或月海玄武巖冷卻過程中的產(chǎn)物。這些顆粒可能通過含鐵硅酸鹽（如輝石、橄欖石）或硫化物礦物（如隕硫鐵）的出溶作用形成。

（2）“天外來客派”（外源輸入--富鎳鐵與合金）：大量富集于角礫巖、膠結(jié)物和玻璃質(zhì)材料中。這些顆粒富含鎳元素，形態(tài)多為球形或橢球形（常見于撞擊熔融快速冷凝），且成分多變。這些特征無可辯駁地表明，它們的主要來源是隕石撞擊！隕石帶來的金屬物質(zhì)在劇烈撞擊的高溫高壓環(huán)境下熔化、飛濺并快速冷卻成形，最終成為土壤中的重要磁性載體。研究甚至首次在鐵鎳合金顆粒中檢測到磷酸鹽成分，揭示了月球金屬礦物此前未知的復(fù)雜性。

（3）次生改造成因 I：撞擊搬運與重結(jié)晶：角礫巖和玄武質(zhì)撞擊熔體中的部分鐵顆粒和鐵鎳合金可能源自遠處的火山源區(qū)，并在隨后的撞擊事件誘導(dǎo)下發(fā)生重結(jié)晶，屬于混合派。

（4）次生改造成因 II：撞擊熔融快速冷卻：SPA盆地的反復(fù)撞擊促進了熔融液滴的快速冷卻，形成了大量富含隕石來源鎳的納米至微米級球形金屬鐵顆粒。

（5）次生改造成因 III：空間風(fēng)化沉積：額外的月球表面過程進一步增加了嫦娥六號月壤鐵磁性礦物學(xué)的復(fù)雜性。例如：太陽風(fēng)輻照在月壤顆粒邊緣產(chǎn)生納米鐵，撞擊事件和銀河宇宙射線（GCR）可以氣化表面物質(zhì)，隨后將金屬鐵或鐵鎳合金沉積到現(xiàn)有的表土顆粒上。

圖3嫦娥六號（CE6）月壤的無損三維X射線顯微（3D-XRM）成像與重建結(jié)果。a. 在約1微米體素分辨率下獲取的二維切片，展示月壤的整體成分組成。b-e. 在約500納米體素分辨率下，從代表性微區(qū)獲取的放大二維切片，突出顯示詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)紋理。f-i. 代表性顆粒的三維重建模型：f. 玄武巖顆粒；g. 角礫巖顆粒；h. 膠結(jié)物顆粒；i. 玻璃質(zhì)顆粒。

圖4嫦娥六號（CE6）月壤中鐵磁性礦物的背散射電子掃描電鏡（BSE-SEM）表征。a-d. 鐵磁性礦物的代表性背散射電子掃描電鏡（BSE-SEM）圖像：a. 玄武巖碎屑中；b. 玄武質(zhì)撞擊熔體中；c. 膠結(jié)物中；d. 玻璃質(zhì)膠結(jié)物中（黃色虛線框標(biāo)記區(qū)域的放大細(xì)節(jié)）。e. 玻璃質(zhì)膠結(jié)物，含有大量與隕硫鐵（Tro）相關(guān)的球形和不規(guī)則金屬鐵（Ir）顆粒。f-g. 膠結(jié)物內(nèi)的微米級金屬鐵顆粒（f）和鐵鎳合金（鐵紋石，Kam）晶體（g）。h. 膠結(jié)物顆粒中與鎳紋石（Tae）組合體相關(guān)的隕硫鐵脈。i. h圖中隕硫鐵-鎳紋石共生體的放大細(xì)節(jié)。j. 從區(qū)域（a-g 和 i 圖中的紅色虛線圓圈標(biāo)示）采集的基于掃描電鏡的能譜儀（SEM-EDXS）譜圖，確認(rèn)了金屬鐵或鐵鎳合金的成分。k. CE6月壤中金屬鐵顆粒的粒度分布，指示其潛在的超順磁（SP）、單疇（SD）、渦旋疇（SV）或多疇（MD）行為。玄武巖物質(zhì)含有稀有的貧鎳鐵顆粒，而膠結(jié)物和玻璃質(zhì)物質(zhì)則含有豐富的鐵顆粒，其鎳含量較高且多變。

03

磁性顆粒的多樣性與剩磁記錄機制

鐵磁性礦物成因的多元性，賦予了月壤記錄多種類型剩磁的能力：原生玄武巖碎屑在冷卻通過其阻擋溫度時獲得熱剩磁（TRM）；空間風(fēng)化作用形成的顆粒記錄化學(xué)剩磁（CRM）；高速撞擊事件賦予沖擊剩磁（SRM）；盡管月球環(huán)境無水，攜帶TRM的顆粒在通過外逸層沉降過程中發(fā)生隨機再定向，可產(chǎn)生凈沉積型剩磁（DRM）；長時間暴露于微弱的月球環(huán)境場中，低矯頑力顆粒會逐漸獲得隨時間變化的小磁矩，可能部分覆蓋更古老的信號，即粘滯剩磁（VRM）。

我們的宏觀磁學(xué)測量和微觀觀察共同揭示了CE6月壤中金屬鐵顆粒多樣的粒度分布及其對應(yīng)的磁疇狀態(tài)。多頻磁化率分析指示了超順磁（SP）顆粒的存在，它們主要貢獻磁化率，但對穩(wěn)定剩磁無貢獻。 FORC圖譜表明單疇（SD）和渦旋疇（SV）顆粒的存在，電子顯微鏡下可見較大的顆粒指示多疇（MD）顆粒的存在。除了SP顆粒外，SD、SV和MD顆粒均能承載不同程度的穩(wěn)定剩磁。剩磁的長期穩(wěn)定性主要取決于以下三個因素：（i）磁性載體的固有性質(zhì)（如礦物類型、成分、粒度和磁疇狀態(tài)）；（ii）獲取剩磁時環(huán)境磁場的強度和方向；（iii）后續(xù)經(jīng)歷的蝕變或沖擊時間（可能導(dǎo)致磁信號覆蓋）。

與磁鐵礦相比，SD到SV態(tài)的金屬鐵和鐵鎳合金（包括鐵紋石和富鎳鐵相）具有高的居里溫度，從而提高了其熱解阻閾值。然而，相對于SD-SV磁鐵礦，它們更高的飽和磁化強度和更低的矯頑力，使其更容易受到?jīng)_擊引起的磁疇壁移動和空間風(fēng)化產(chǎn)生的表面缺陷的影響。盡管一些鐵鎳顆粒可能在形成后的晶體生長過程中獲得熱化學(xué)剩磁（TCRM），但最近的微磁模型和實驗室實驗表明，納米尺度的鎳紋石由于其矯頑力接近~250 mT，能夠在地質(zhì)時間尺度上保留穩(wěn)定的原生剩磁。

圖5嫦娥六號（CE6）玄武巖樣品 FIB_1 中金屬鐵顆粒的透射電子顯微鏡（TEM）表征。a. 明場透射電子顯微鏡（TEM）圖像（局部視圖），顯示嵌入隕硫鐵（Tro）中的金屬鐵（Ir）顆粒。b. 放大的 TEM 圖像，突出顯示金屬鐵顆粒的自形形態(tài)。c. 沿[11]晶帶軸方向觀察的金屬鐵顆粒的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣，圖中標(biāo)定了衍射斑點及其對應(yīng)的晶面間距（d-spacings）。d. 沿[100]晶帶軸方向觀察的隕硫鐵的 SAED 花樣，圖中標(biāo)定了米勒指數(shù)（Miller indices）。e. 隕硫鐵的高分辨率 TEM (HRTEM) 圖像，圖中標(biāo)注了測量得到的晶面間距（d-spacings）。f. 分別在隕硫鐵和金屬鐵顆粒上采集的代表性 TEM- EDXS譜圖，證實鐵顆粒內(nèi)無可檢測到的鎳（Cu 峰來源于 TEM 樣品桿）。

圖6隕硫鐵-鎳紋石脈（樣品 FIB_5）中鐵磁性礦物的透射電子顯微鏡（TEM）表征。a. 高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）圖像，展示隕硫鐵（Tro）、鎳黃鐵礦（Pent）和鎳紋石（Tae）的形態(tài)與尺寸變化。b-d. STEM-EDXS元素分布圖。e. 放大的 HAADF-STEM 圖像（a圖中下部黃色虛線框標(biāo)記區(qū)域），詳細(xì)展示隕硫鐵-鎳黃鐵礦-鎳紋石界面。f. 原子分辨率 HAADF-STEM 圖像，沿隕硫鐵[1 ?100] 和鎳黃鐵礦 ["01" 1 ?]晶帶軸方向觀察隕硫鐵-鎳黃鐵礦-鎳紋石界面。g. 鎳紋石的原子分辨率 HAADF-STEM 圖像（e圖中區(qū)域），沿["01" 1 ?]方向觀察；插圖顯示相應(yīng)的快速傅里葉變換（FFT）衍射花樣及原子結(jié)構(gòu)模型（此方向鐵原子不可見）。h. 放大的 HAADF-STEM 圖像（a圖上部黃色虛線框區(qū)域），展示隕硫鐵-金屬鐵組合體，其鄰近的隕硫鐵中含有鎳黃鐵礦包裹體。i. h 圖所示隕硫鐵-金屬鐵界面的原子分辨率 HAADF-STEM 圖像。j. i 圖中金屬鐵的原子分辨率 HAADF-STEM 圖像。右上角插圖顯示FFT 衍射花樣，其上疊加的理論原子模型證實其具有 α-鐵（體心立方，BCC）晶體結(jié)構(gòu)。

04

揭示“弱場強磁”之謎與未來研究展望

鐵磁性礦物的復(fù)雜組合及其獨特的磁化獲取機制，為理解月球磁場演化、地殼磁異常和空間風(fēng)化過程提供了關(guān)鍵約束：

（1）“高剩磁-弱異常”矛盾的新解：盡管嫦娥六號月壤展現(xiàn)出極高的剩磁承載能力（高Mrs值），其著陸區(qū)卻對應(yīng)著相對較弱的月殼磁異常。這一看似矛盾的現(xiàn)象，其根源很可能在于：在月球內(nèi)部發(fā)電機顯著衰減或停止后（約十幾億年前）發(fā)生的多次撞擊事件，引發(fā)了反復(fù)的熱退磁作用，抹去了該區(qū)域早期記錄的強磁場信號。

（2）SPA盆地西北緣強磁異常的成因機制：與著陸區(qū)形成鮮明對比的是，SPA盆地西北邊緣顯著的地殼磁異常，其成因則指向富含隕石來源及撞擊成因金屬鐵的累積濺射物，這與先前的數(shù)值模擬結(jié)果一致。模型研究表明，要產(chǎn)生SPA規(guī)模的磁異常，低磁化率物質(zhì)需要堆積成遠比高磁化率物質(zhì)更厚的層狀體。外源組分（如隕石和撞擊產(chǎn)生的金屬鐵）恰恰具有高磁化率，是貢獻磁異常信號最有效的物質(zhì)。雖然我們的飽和剩磁測量反映的是月壤整體屬性，但其作為所有返回月球樣品中的最高報道值，結(jié)合電子顯微分析結(jié)果，證實了嫦娥六號月壤中金屬鐵和鐵鎳合金的異常富集。這種高磁化率相的富集，顯著降低了產(chǎn)生觀測到的SPA磁異常所需物質(zhì)的最小體積。

（3）厘清月球古磁場歷史挑戰(zhàn)與未來研究展望：基于阿波羅、嫦娥任務(wù)返回的全巖樣品及月球隕石的大量古強度研究，支持月球曾存在一個內(nèi)部發(fā)電機，其活躍期大約在42億至15億年前。然而，近期阿波羅樣品的單晶古強度分析對這一“長期活躍發(fā)電機”假說提出了挑戰(zhàn)，表明先前報道的高古強度值可能源于沖擊或撞擊過程誘導(dǎo)的次生磁化。這些分歧部分源于方法學(xué)局限：

（i）加熱法（如Thellier實驗）：反復(fù)、長時間的實驗室加熱可能改變月球鐵鎳合金和金屬鐵的微觀結(jié)構(gòu)及成分，從而損害原始磁場記錄的保真度。

（ii）非加熱法（如ARM/IRM）：將基于單一礦物標(biāo)準(zhǔn)品推導(dǎo)的經(jīng)驗校準(zhǔn)因子應(yīng)用于月壤中異質(zhì)混合的鐵磁性相，可能導(dǎo)致古強度估算存在2-5倍的不確定性。

（iii）磁性載體的高分辨表征：系統(tǒng)運用原子尺度分析技術(shù)（如SEM，TEM），依據(jù)形成過程區(qū)分磁性礦物群。例如，玄武巖中的自形貧鎳金屬鐵顆粒更可能可靠記錄原生發(fā)電機信號。

（iv）微區(qū)古強度測定：利用新興的磁顯微技術(shù)，在微納米尺度上實現(xiàn)高空間分辨率的磁性和古強度測定。

（v）撞擊效應(yīng)分離：開展針對性研究，分離撞擊生成的磁性礦物，以區(qū)分原生發(fā)電機信號與次生沖擊剩磁。

（vi）多方法融合：整合上述先進表征技術(shù)與改進的古強度測定方案，是最終厘清月球磁場復(fù)雜演化歷史及其地球物理意義的必由之路。

編輯 | 陳永焱

校對 | 李金華