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測量揭示了一個關鍵發現：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樣品）相比，嫦娥六號月壤展現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“弱環境磁場”與“強土壤磁性”的顯著矛盾，構成了亟待破解的核心科學問題。

為解開謎團，由中國科學院地質與地球物理研究所李金華研究員與潘永信院士領銜的研究團隊，利用嫦娥六號取自SPA盆地的珍貴月壤樣品，綜合應用宏觀磁學-多種顯微學-微磁模擬等方法，精細區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（內生成因、撞擊成因等），厘清了鐵磁性礦物的復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化過程提供了關鍵約束。研究認為，SPA盆地中心區相對較弱的地殼磁異常其根源可能是，月球內部發電機顯著衰減或停止后（約十幾億年前）發生的多次撞擊事件，引發了反復的熱退磁作用，抹去了該區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，這與先前的數值模擬結果一致。這項研究也對后續地外天體（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-內部結構”的關聯研究有借鑒意義。

研究成果正式發表于國際權威學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）正式發表（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基金青年科學基金項目A類（原國家杰青項目，42225402）和國家自然科學基金卓越研究群體項目（原基金委基礎科學中心項目，42388101）以及中國科學院地質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：月球巖漿分異結晶及玄武巖熔巖流冷卻，通過撞擊誘導熔融、外源隕石富鐵物質的輸送與沉積導致的再結晶，撞擊形成球形納米至微米級金屬鐵顆粒，空間風化過程（如太陽風輻照和氣化沉積），這些多樣化的來源使得鐵磁性礦物表現出獨特的物理、化學和磁學性質，從而能夠獲取多種類型的剩磁：熱剩磁 (TRM)，化學剩磁 (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中的共存，為解讀月球發電機歷史、地殼磁異常及表面風化演化提供了關鍵約束。

01

想解鎖月球磁場的“前世今生”？

關鍵鑰匙是“載磁礦物”！

月球物質中的鐵磁性礦物，如同記錄月球演化的獨特“日記本”，不僅銘刻著古老內部發電機（dynamo）的興衰史詩，也留存了隕石撞擊、太空風化等表面重大事件的印記。然而，月球的極端環境——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“核心擔當”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、鎳含量、內部結構上千差萬別。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”現象是理解古月球磁場演化的關鍵線索之一。

中國嫦娥六號（CE6）探測器精準著陸于SPA盆地內阿波羅隕石坑南緣，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特征。a. 南極-艾特肯盆地（SPA）內嫦娥六號著陸點的地形圖。b. 嫦娥六號著陸區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. 一階反轉曲線（FORC）圖譜，展示磁疇狀態和相互作用。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）關聯分析，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。這些鐵顆粒形狀規則（自形），鎳含量極低。其形態和成分特征清晰指向它們源于月球內部的巖漿活動，可能是月球遠古巖漿洋分異結晶或月海玄武巖冷卻過程中的產物。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、膠結物和玻璃質材料中。這些顆粒富含鎳元素，形態多為球形或橢球形（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在劇烈撞擊的高溫高壓環境下熔化、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雜性。

（3）次生改造成因 I：撞擊搬運與重結晶：角礫巖和玄武質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，并在隨后的撞擊事件誘導下發生重結晶，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的復雜性。例如：太陽風輻照在月壤顆粒邊緣產生納米鐵，撞擊事件和銀河宇宙射線（GCR）可以氣化表面物質，隨后將金屬鐵或鐵鎳合金沉積到現有的表土顆粒上。

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，從代表性微區獲取的放大二維切片，突出顯示詳細的內部結構紋理。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. 膠結物顆粒；i. 玻璃質顆粒。

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. 玄武質撞擊熔體中；c. 膠結物中；d. 玻璃質膠結物中（黃色虛線框標記區域的放大細節）。e. 玻璃質膠結物，含有大量與隕硫鐵（Tro）相關的球形和不規則金屬鐵（Ir）顆粒。f-g. 膠結物內的微米級金屬鐵顆粒（f）和鐵鎳合金（鐵紋石，Kam）晶體（g）。h. 膠結物顆粒中與鎳紋石（Tae）組合體相關的隕硫鐵脈。i. h圖中隕硫鐵-鎳紋石共生體的放大細節。j. 從區域（a-g 和 i 圖中的紅色虛線圓圈標示）采集的基于掃描電鏡的能譜儀（SEM-EDXS）譜圖，確認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。玄武巖物質含有稀有的貧鎳鐵顆粒，而膠結物和玻璃質物質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）；空間風化作用形成的顆粒記錄化學剩磁（CRM）；高速撞擊事件賦予沖擊剩磁（SRM）；盡管月球環境無水，攜帶TRM的顆粒在通過外逸層沉降過程中發生隨機再定向，可產生凈沉積型剩磁（DRM）；長時間暴露于微弱的月球環境場中，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的磁疇狀態。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定剩磁。剩磁的長期穩定性主要取決于以下三個因素：（i）磁性載體的固有性質（如礦物類型、成分、粒度和磁疇狀態）；（ii）獲取剩磁時環境磁場的強度和方向；（iii）后續經歷的蝕變或沖擊時間（可能導致磁信號覆蓋）。

與磁鐵礦相比，SD到SV態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，使其更容易受到沖擊引起的磁疇壁移動和空間風化產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，能夠在地質時間尺度上保留穩定的原生剩磁。

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。c. 沿[11]晶帶軸方向觀察的金屬鐵顆粒的選區電子衍射（SAED）花樣，圖中標定了衍射斑點及其對應的晶面間距（d-spacings）。d. 沿[100]晶帶軸方向觀察的隕硫鐵的 SAED 花樣，圖中標定了米勒指數（Miller indices）。e. 隕硫鐵的高分辨率 TEM (HRTEM) 圖像，圖中標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記區域），詳細展示隕硫鐵-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圖中區域），沿["01" 1 ?]方向觀察；插圖顯示相應的快速傅里葉變換（FFT）衍射花樣及原子結構模型（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）晶體結構。

04

揭示“弱場強磁”之謎與未來研究展望

鐵磁性礦物的復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化過程提供了關鍵約束：

（1）“高剩磁-弱異常”矛盾的新解：盡管嫦娥六號月壤展現出極高的剩磁承載能力（高Mrs值），其著陸區卻對應著相對較弱的月殼磁異常。這一看似矛盾的現象，其根源很可能在于：在月球內部發電機顯著衰減或停止后（約十幾億年前）發生的多次撞擊事件，引發了反復的熱退磁作用，抹去了該區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，這與先前的數值模擬結果一致。模型研究表明，要產生SPA規模的磁異常，低磁化率物質需要堆積成遠比高磁化率物質更厚的層狀體。外源組分（如隕石和撞擊產生的金屬鐵）恰恰具有高磁化率，是貢獻磁異常信號最有效的物質。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，結合電子顯微分析結果，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，顯著降低了產生觀測到的SPA磁異常所需物質的最小體積。

（3）厘清月球古磁場歷史挑戰與未來研究展望：基于阿波羅、嫦娥任務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部發電機，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“長期活躍發電機”假說提出了挑戰，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的次生磁化。這些分歧部分源于方法學局限：

（i）加熱法（如Thellier實驗）：反復、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構及成分，從而損害原始磁場記錄的保真度。

（ii）非加熱法（如ARM/IRM）：將基于單一礦物標準品推導的經驗校準因子應用于月壤中異質混合的鐵磁性相，可能導致古強度估算存在2-5倍的不確定性。

（iii）磁性載體的高分辨表征：系統運用原子尺度分析技術（如SEM，TEM），依據形成過程區分磁性礦物群。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電機信號。

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

（v）撞擊效應分離：開展針對性研究，分離撞擊生成的磁性礦物，以區分原生發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與改進的古強度測定方案，是最終厘清月球磁場復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