月球作為地球的近鄰，其表面密布的撞擊坑記錄著地月系統(tǒng)近四十億年來遭受小天體轟擊的歷史。這些劇烈的撞擊不僅重塑了月球的地貌，也是改造月表物質(zhì)組成、控制月壤動(dòng)態(tài)演化的主導(dǎo)力量。撞擊瞬間產(chǎn)生的高溫高壓瞬態(tài)云團(tuán)，成為驅(qū)動(dòng)月球表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、促進(jìn)物質(zhì)遷移以及揮發(fā)分再分布的關(guān)鍵引擎。月壤顆粒表面常覆蓋的富硅層或富硫?qū)?，即被認(rèn)為源自撞擊云團(tuán)中的氣相沉積產(chǎn)物。在月壤中發(fā)現(xiàn)的多種特殊礦物，如藍(lán)輝銅礦、褐硫鈣石、自然銅、哈普克礦等，也很可能形成于撞擊云團(tuán)在特定溫壓條件下的氣相凝結(jié)過程。此外，盡管太陽風(fēng)氫離子注入是月表水的重要來源，但在永久陰影區(qū)，由于缺乏太陽輻射，其水冰的富集需要外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，小天體撞擊所引發(fā)的揮發(fā)分遷移很可能是其中一種關(guān)鍵機(jī)制。上述化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生以及揮發(fā)分的空間遷移能力高度依賴于撞擊云團(tuán)內(nèi)部的溫度和壓力環(huán)境，然而，月球表面近乎真空，這類云團(tuán)的內(nèi)部狀態(tài)與持續(xù)時(shí)間一直難以直接探測(cè)，極大地限制了我們對(duì)撞擊所引發(fā)的一系列復(fù)雜表面過程的理解。
為了深入研究上述問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所林楊挺研究員團(tuán)隊(duì)，對(duì)嫦娥五號(hào)月壤中發(fā)現(xiàn)的一顆形成于撞擊云團(tuán)的特殊金屬熔珠，開展了詳細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和礦物化學(xué)分析，并且結(jié)合高溫高壓實(shí)驗(yàn)、相圖以及撞擊云團(tuán)的膨脹模型，成功反演了隕石撞擊事件中云團(tuán)內(nèi)部完整的溫度-壓力-時(shí)間（P-T-t）演化軌跡。
研究團(tuán)隊(duì)在嫦娥五號(hào)月壤中發(fā)現(xiàn)了一顆具有獨(dú)特不混溶結(jié)構(gòu)的鐵鎳金屬熔珠，該金屬熔珠富含P和S，其內(nèi)部由大量富金屬（Fe-Ni）球粒、富硫化物球粒及富磷化物基質(zhì)三部分構(gòu)成（圖1）。富金屬球粒呈（扁）球型/啞鈴型，表現(xiàn)出聚集融合的特征；富磷化物基質(zhì)則以網(wǎng)狀基質(zhì)的形式充填于富金屬球粒之間；富硫化物球粒主要呈球形，散布于富磷化物基質(zhì)中。該結(jié)構(gòu)與Fe-P-S三元體系的高溫高壓熔融淬火產(chǎn)物非常相似。
圖1?富P-S金屬熔珠及其元素分布特征
通過掃描電鏡、電子探針及透射電鏡等多尺度分析手段，結(jié)合Fe-P-S體系的高溫高壓實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)金屬熔珠進(jìn)行了系統(tǒng)研究。其礦物組成和化學(xué)成分特征表明，該金屬熔珠起源于鐵隕石。在鐵隕石撞擊月表后，該金屬熔珠在產(chǎn)生的云團(tuán)中發(fā)生完全熔融，隨后快速淬火，從而形成獨(dú)特的不混溶結(jié)構(gòu)。金屬熔珠各相的形成與成分受控于云團(tuán)內(nèi)部的熱溫壓狀態(tài)。該研究的創(chuàng)新性研究思路在于：將金屬熔珠內(nèi)部不同相（FeNi金屬、硫化物、磷化物）的化學(xué)成分、形態(tài)、尺寸分布視為記錄其溫度-壓力-時(shí)間演化歷史的“熱力學(xué)密碼”。
基于Fe-P-S體系中P和S在不同溫壓條件下的分配行為（圖2），團(tuán)隊(duì)獲得了金屬熔珠在撞擊云團(tuán)內(nèi)部從完全熔融至冷卻結(jié)晶全過程的完整溫度-壓力演化歷史（圖3），關(guān)鍵演化過程如下：
（1）初始均一熔體階段：撞擊初始，巨大的能量使月表物質(zhì)和撞擊體物質(zhì)熔化與氣化，形成一個(gè)撞擊云團(tuán)，云團(tuán)中的鐵鎳金屬、隕磷鐵鎳礦和隕硫鐵集合體完全熔融，形成均一的FeNi-P-S熔珠。相圖分析表明，此過程需要極端條件：溫度>1800 ℃，壓力 >11-16 GPa。
（2）首次相分離（富金屬球粒形成）：隨著云團(tuán)膨脹，溫度和壓力迅速下降，F(xiàn)eNi-P-S熔珠迅速析出大量金屬球粒，與富含P和S的熔體共存。根據(jù)P在金屬相與殘留P-S熔體間的分配系數(shù)與壓力的關(guān)系，計(jì)算出金屬球粒從均一熔體中析出時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力約為11-16 GPa。
（3）二次相分離（P-S熔體不混溶）：殘余的P-S熔體在壓力進(jìn)一步降低至1 bar-3 GPa、溫度降至1000-1100 ℃時(shí)，再次發(fā)生不混溶，分離形成富S球粒和富P基質(zhì)。
（4）結(jié)晶固化：隨著溫度的進(jìn)一步降低，富P基質(zhì)和富S球粒最終分別結(jié)晶為隕磷鐵鎳礦和隕硫鐵，隨后析出大量納米級(jí)顆粒。
圖2?Fe-P-S體系中輕元素的分配
基于金屬熔珠中球粒的大小分布與實(shí)驗(yàn)室已知冷卻速率下形成的球粒尺寸對(duì)比，推算出該熔珠的冷卻速率高達(dá)700-1600 ℃/s。結(jié)合上述溫度-壓力演化路徑，計(jì)算得出金屬熔珠從初始均一熔體的高壓階段演化至發(fā)生第二次相分離的近常壓階段所經(jīng)歷的時(shí)間約為0.5-1秒。這表明金屬熔體的高壓維持時(shí)間為近秒級(jí)，與撞擊云團(tuán)絕熱膨脹模型在相同條件下預(yù)測(cè)的冷卻和減壓所需時(shí)間相吻合。這一結(jié)果首次為月表撞擊云團(tuán)中高溫-高壓狀態(tài)隨時(shí)間的演化提供了直接的樣品證據(jù)約束，并得到撞擊云團(tuán)膨脹模型模擬結(jié)果的相互印證。
圖3?金屬熔珠在撞擊云團(tuán)中的形成過程示意圖
該研究將撞擊成因金屬熔珠的熱力學(xué)演化史與撞擊動(dòng)力學(xué)過程相關(guān)聯(lián)，其發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解月球表面多個(gè)關(guān)鍵過程具有重要啟示：
（1）為月表化學(xué)反應(yīng)提供必要的物理?xiàng)l件。撞擊云團(tuán)在近秒級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)維持高壓，意味著其在膨脹初期仍保持較高的氣體密度。這為氣相沉積反應(yīng)提供了必需的動(dòng)力學(xué)環(huán)境，合理解釋了月壤顆粒表面常見的富硅或富硫?qū)?，以及近期在嫦娥樣品中發(fā)現(xiàn)的藍(lán)輝銅礦、褐硫鈣石等氣相凝結(jié)礦物的形成。
（2）助力月表揮發(fā)分的遷移與富集。撞擊云團(tuán)在秒級(jí)時(shí)間尺度維持較高壓力，能夠有效束縛氣體組分、延緩其逃逸。這支持部分云團(tuán)物質(zhì)（包括水等揮發(fā)分）在未達(dá)到月球逃逸速度的情況下，能夠回落到月表，甚至遷移至冷阱區(qū)域被保存下來，為永久陰影區(qū)水冰的富集機(jī)制提供理論依據(jù)。此外，云團(tuán)內(nèi)部較長時(shí)間的高氣體分壓也有助于揮發(fā)分進(jìn)入撞擊玻璃珠等產(chǎn)物，為揮發(fā)分的保存與遷移創(chuàng)造了有利條件。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Icarus（劉小瑩#，張馳#，岳宗玉，谷立新，李靜，田恒次，胡森，林楊挺*. Duration of high temperature-pressure conditions in impact-induced plumes on the Moon [J].?Icarus, 2026, 449: 116969. DOI:10.1016/j.icarus.2026.116969.）。研究受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42230206）和中國科學(xué)院地質(zhì)地球所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-202401）的資助。
劉小瑩（博士后）