數十億年來，月球表面遭受了強烈的太空風化作用，包括微隕石撞擊、太陽風及銀河宇宙射線的輻射等。這些過程極大地改造了月球表面物質的微觀形貌、晶體結構和化學成分，進而影響了月球的光譜特征。深入研究太空風化過程與機理，是認識月球表面物質演化的關鍵，并為其他行星的宜居環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的最重要營力。較大的撞擊造成月表物質的熔融、汽化和高壓相變，而亞微米到微米級尺寸的撞擊則會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境，還為理解月球表面超高速撞擊過程提供了天然實驗室。然而，阿波羅月壤受限于當時的微區分析技術，未能得到詳細的精細結構分析。嫦娥五號是我國首個實施無人月面取樣返回的月球探測器，并帶回來了1731克月壤樣品，為我們系統認識月表物質的后期演化和空間環境（撞擊通量、速度等）提供了絕佳的機會。但是，但對于這些信息的解讀目前仍然處于探索階段。
基于這一科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所電子顯微鏡實驗室谷立新高級工程師、行星科學與前沿技術重點實驗室林楊挺研究員、深層油氣理論與智能勘探開發重點實驗室李金華研究員，聯合北京高壓科學中心陳永金副研究員、中科院國家空間科學中心徐于晨副研究員等，通過先進的電子顯微學技術，系統研究了嫦娥五號顆粒表面亞微米到微米尺寸微隕石坑的形態、微觀結構、化學成分和元素價態變化，揭示了月表超高速撞擊與太陽風輻照的協同作用機制。
統計研究發現，嫦娥五號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，且大多數撞擊微坑是由二次撞擊形成的，這些撞擊體來源于附近較大的撞擊事件中產生的碎片。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）。而要判斷來源于微隕石撞擊要復雜得多。除了結合特殊元素（如富Ni），撞擊微坑的直徑/深度比也可能是一個有效的指示特征（圖2c）。同時，基于沖擊熔融特征，可以推斷二次撞擊體的速度有相當一部分可以超過1km/s。由于二次撞擊過程廣泛發生于月球表面，它們對月壤物質的改造作用（如空間風化、破碎和翻耕等）可能比以往認為的更為顯著。
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構上可以看出（圖2），其典型構造包含沖擊熔融層、非晶層和缺陷密集區。值得注意的是，不同微坑的發育特征因撞擊速度和基質成分的不同而呈現顯著差異（圖3）。在微坑內，存在多種形態和分布特征的納米金屬鐵。它們通常被自然的認為是撞擊成因，然而，一個重要但長期被忽略的問題是這些顆粒在撞擊之前是否已經受到了較長時間的太陽風輻照等風化效應？通過與遠離撞擊微坑的太陽風輻照損傷層相對比，研究發現撞擊微坑內的納米金屬鐵不能簡單的歸因于單一的撞擊作用，還可能是太陽風輻照與微尺度撞擊共同作用形成的。通過精細結構表征，他們提出了太陽風輻照與微隕石撞擊時間序列的判別指標，并揭示了二者可能的疊加效應。此外，在微坑中還檢測到少量非基質的物質成分，這有助于判斷其形成過程，但其真實撞擊體物質及來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構和成分特征
圖3月壤顆粒表面亞微米到微米尺寸撞擊微坑的形成過程及剖面結構示意圖
這項研究表明空間風化過程和作用機制比先前認為的更為復雜多樣，為理解月球表面材料的超高速撞擊過程和空間風化效應提供了新的見解，并將有助于深化人們對太陽系中其他無大氣天體表面物質演化的認識。同時，也為后續進一步深入研究月表超高速微尺度撞擊過程和撞擊環境奠定了基礎。
研究成果近期發表于國際學術期刊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.）。研究受國家自然科學基金項目(42103035, 42241105, 42103035, 42241152)、中國科學院重點部署項目(ZDBS-SSW-JSC007, QYZDJ-SSW-DQC001)和中國科學院地質與地球物理研究所重點部署項目(IGGCAS-202101, IGGCAS-202401)共同資助。
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