撞擊是太陽系最普遍且最重要的外營力，貫穿行星的形成與后續(xù)演化過程。小行星撞擊會(huì)產(chǎn)生極端的高溫和高壓條件，導(dǎo)致靶巖產(chǎn)生沖擊變質(zhì)效應(yīng)，例如變形、分解、相變、熔融與汽化；反過來，這些沖擊產(chǎn)物，尤其是高壓礦物，能夠揭示撞擊事件的溫度、壓力以及冷卻歷史等重要信息。月球表面可見上百萬個(gè)撞擊坑，說明月球經(jīng)歷過強(qiáng)烈的小行星撞擊。然而，與受到?jīng)_擊的普通球粒隕石和火星隕石相比，月球樣品（包括月球隕石與返回月球樣品）之前僅發(fā)現(xiàn)少量的高壓相變，且報(bào)道的高壓相大多是以孤立的形式存在。這與理論預(yù)期不符，極大地限制了我們對月球上大尺度沖擊效應(yīng)和極端環(huán)境下礦物演化的理解。
中國科學(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發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李金華研究員及團(tuán)隊(duì)成員，通過先進(jìn)的電子顯微學(xué)技術(shù)結(jié)合拉曼光譜，在月球隕石NWA 3170樣品中發(fā)現(xiàn)了大量新的高壓礦物相（表1）。這一發(fā)現(xiàn)革新了月球樣本中高壓礦物形成和保存的認(rèn)知。
?表1?月球樣品中的高壓礦物（參考文獻(xiàn)見原文）
研究表明，其中一部分高壓礦物，如林伍德石（Ringwoodite）、阿倫斯石（Ahrensite）、涂氏磷鈣石（Tuite）、謝氏超晶石（Xieite）和鎂鐵榴石（Majorite）是通過固態(tài)轉(zhuǎn)變形成的（圖2），而其他高壓相則是從熔體結(jié)晶或者難以判斷其具體形成機(jī)制。通過礦物組合反演，該隕石至少經(jīng)歷了?22–24 GPa和?~2000 ℃的極端環(huán)境，冷卻時(shí)間極短，估算小于15 ms。結(jié)合年代學(xué)、光譜學(xué)數(shù)據(jù)，推測該隕石源自月球風(fēng)暴洋克里普地體的Le Verrier D隕石坑邊緣，撞擊體直徑約40米，形成了直徑300–600米的隕石坑。該隕石的前驅(qū)體在2.9 Ga左右形成，直到160 Ma左右發(fā)生了第二次撞擊才將其從月球拋射出來，隨后經(jīng)歷漫長的旅行到達(dá)地球。這一結(jié)果為月球中晚期撞擊歷史提供了關(guān)鍵證據(jù)和約束。
圖2?輝石-鐵鎂榴石固態(tài)相變特征
月球樣品中高壓礦物的稀缺可能有兩個(gè)原因。一方面，大多數(shù)月球隕石的發(fā)射速度低于地月系統(tǒng)的逃逸速度。當(dāng)月球噴出物以較高的速度發(fā)射時(shí)，它們往往會(huì)進(jìn)入獨(dú)立的日心軌道，這大大降低了到達(dá)地球的可能性。另一方面，月球表面有一層松散的月壤風(fēng)化層。沖擊實(shí)驗(yàn)表明，多孔物質(zhì)在遭受沖擊時(shí)的溫度升高幅度遠(yuǎn)大于非多孔物質(zhì)。例如，在高孔隙的月球風(fēng)化層上，平均峰值壓力為~10 GPa的沖擊能夠達(dá)到1473 K的沖擊溫度。然而，高溫不利于大多數(shù)高壓礦物的保存，如造成瓦茲利石向橄欖石的反向轉(zhuǎn)化。這也可能是月球樣本中高壓礦物稀缺的一個(gè)關(guān)鍵原因。因此，具有適當(dāng)能量的撞擊加上獨(dú)特的冷卻歷史是月球樣品中高壓礦物形成和保存的關(guān)鍵因素。此外，月球隕石通常比返回的樣本顯示出更高的沖擊等級。對這種現(xiàn)象的一種解釋是位置偏差，其中月球隕石代表隨機(jī)的全球抽樣，而返回的樣本來自月球表面的有限區(qū)域?；蛘?，這更可能歸因于樣本收集的差異，因?yàn)樵虑螂E石是通過撞擊從月球上噴射出來的，而不是直接采集的。
另外，研究團(tuán)隊(duì)還在樣品中發(fā)現(xiàn)了大量亞微米尺寸的金屬鐵（圖3），它們都是由撞擊直接形成的，而非傳統(tǒng)的微隕石撞擊或太陽風(fēng)輻照的產(chǎn)物，表明大型撞擊事件尤其是月球早期大型撞擊可能對全月的金屬鐵有顯著貢獻(xiàn)，并顯著影響月球光譜特性與磁學(xué)性質(zhì)。
未來，通過對隕石及返回月壤的礦物微區(qū)分析，有望進(jìn)一步揭示月球高真空高還原條件下獨(dú)特的沖擊效應(yīng)，并拓展人們對極端條件下物質(zhì)演化的理解。
圖3 熔脈中的高壓相和納米金屬鐵
研究成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊CEE（谷立新*，王念，林楊挺*，田恒次，唐旭，周湛，李曉光，賈麗輝，徐于晨，胡森，李金華*. Abundant high-pressure minerals and submicroscopic metallic iron discovered in a shocked lunar meteorite [J].?Communications Earth & Environment,2025,6: 915. DOI:?10.1038/s43247-025-02876-z.）。研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42230206、42241105、42103035)和中國科學(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)的共同資助。