蝌学最前沿丨月球表面没空气也会“生锈”？

朋友，提到铁锈，你会想到什么？

斑驳的水管、生锈的栅栏、还是那被抛弃的破洞铁锅？

不管生锈的东西是什么，在大众的认知里，铁锈的形成除了铁本身之外，离不开两样东西——氧气和水。在我们的日常生活中，铁锈的成分主要是三氧化二铁（Fe₂O₃），其形成主要是由于铁与水和氧气发生氧化反应，化学反应方程式为：

但如果科学家告诉你，月球表面也有“锈”呢？是不是很震惊，在我们以往的认知里，月球上没有空气啊！这个颠覆认知的发现，还要从去往月球背面的嫦娥六号探测器说起……

嫦娥六号探测器各组成部分示意图

图片来源：国家航天局

嫦娥六号带回的“宝藏”

2024年，中国嫦娥六号任务成功从月球背面的南极-艾特肯盆地返回了1935.3克珍贵的月壤样品，这是人类历史上首次获得月球背面的样本。近日，中国科学院地球化学研究所、山东大学及云南大学的联合研究团队，在对月壤样品进行系统分析后，取得了一项重大突破。

嫦娥六号着陆点位置图

图片来源：国家航天局

研究团队利用微区电子显微谱学、电子能量损失谱技术以及拉曼光谱技术等多种先进分析手段，在样品中发现了与地球上铁锈成分一样的微米级赤铁矿（α-Fe₂O₃）和磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）晶体，这在以往的月球样品研究中是从未见过的。

撞出来的“铁锈”

赤铁矿的形成需要氧化环境，但自人类开启探月时代以来，月球一直被认为是一个化学性质上极度“还原”的天体。太阳风（主要由带正电的氢离子，也就是质子组成），持续不断地轰击月球表面，这种富含还原性物质的环境使得月球表面的氧化反应难以发生。

嫦娥六号月壤样品的研究结果彻底颠覆了这一传统观念。研究团队提出，月球表面的氧化过程，特别是赤铁矿的形成，与月球历史上发生的大型撞击事件密切相关。这些撞击事件就像宇宙中的“巨型化学反应器”，月球表面物质在大尺度撞击下气化，会产生局部的高氧逸度气氛。而嫦娥六号此次取样的月球南极-艾特肯盆地是太阳系中已知最大、最古老的撞击盆地之一，其形成就是源于一次规模空前的天体撞击事件。

在月壤中，铁元素的一种常见赋存形式是陨硫铁（FeS）。在大型撞击产生的高温条件下，陨硫铁会发生脱硫反应，释放出铁离子，这些铁离子在撞击云团边缘的高氧逸度环境中被氧化，形成了赤铁矿（α-Fe2O₃）、磁赤铁矿（γ-Fe2O₃）和磁铁矿（Fe3O4）等铁氧化物。

当铁离子被氧化后，它们会以气态氧化铁的形式存在于撞击云团中。随着撞击云团的膨胀和冷却，其内部的温度和压力逐渐下降。当温度降低到氧化铁的凝结点以下时，这些气态的氧化铁分子就会开始聚集并凝结成微小的固态颗粒。

嫦娥六号样品中发现的铁氧化物成因示意图

图片来源：国家航天局

撞击让月球富有“磁性”？

嫦娥六号月壤样品中赤铁矿和磁赤铁矿的发现，不仅仅是颠覆了人们以前对月球表面环境的认知，还为困扰科学界的月球磁异常现象，特别是月球南极-艾特肯盆地周边的磁异常，提供了一个全新的、更具说服力的机制——“撞击产生磁性矿物”机制。

“磁发电机”理论是解释行星磁场成因的主流模型。该理论认为，当一颗行星拥有一个由导电的液态金属（如铁）构成的核心，并且这个核心内部存在剧烈的对流运动时，就会产生一个全球性的磁场，例如我们的地球。但月球的体积和质量远小于地球，其核心冷却速度非常快；同时月球岩石记录的磁场强度变化巨大，且存在时间相对较短。许多磁异常区域与月球的古老的火山活动区并不完全对应，特别是月球南极-艾特肯盆地形成于更晚的时期，但其西北部边缘存在着显著的高磁异常，磁场强度可达数百纳特斯拉，远高于月球大部分区域不足1纳特斯拉的背景磁场，这让“磁发电机”理论在解释该盆地周边磁异常时显得力不从心。

“撞击产生磁性矿物”机制的原理是，在陨硫铁向赤铁矿转化的过程中，必然会形成一种关键的中间产物——磁铁矿（Fe₃O₄）。磁铁矿和磁赤铁矿（γ-Fe₂O₃）都是具有强磁性的矿物，它们是潜在的载磁矿物。这对传统的“磁发电机”理论提供了重要的补充。当然该机制目前也无法解释月球全球性磁场（月球没有全球偶极磁场但月壳存在大规模磁化）的形成，更有可能的情况是，两种机制在月球的不同历史时期和不同区域共同作用，共同塑造了月球复杂的磁场演化历史。在月球形成早期，一个短暂存在的内部“磁发电机”可能确实产生过全球性的磁场，而在“磁发电机”停止工作后，后续频繁的大型撞击事件则成为了月球表面磁化的主要驱动力。

目前针对嫦娥六号带回的月壤样品的研究仍在持续推进，中国探月工程也在稳步向前，相信在不久的将来，会有更多关于月球的秘密被揭开，让我们重新认识这位守卫地球的“老朋友”。

图片来源：作者拍摄

参考资料：

https://doi.org/10.1126/sciadv.ady5169

http://finance.people.com.cn/n1/2025/1117/c1004-40605617.html

https://www.media.sdu.edu.cn/info/1002/39833.htm

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https://cn.chinadaily.com.cn/a/202511/16/WS6919824ba310942cc4991a7d.html

作者：蝌蚪君

审核：刘颖 李培元

审核专家：卞跃跃 中国地质博物馆高级工程师

来源： 蝌蚪五线谱