数十亿年来，月球表面遭受了强烈的太空风化作用，包括微陨石撞击、太阳风及银河宇宙射线的辐射。这些过程极大地改造了月球表面物质的微观形貌、晶体结构和化学成分，进而改变了月球的光谱特征，造成地质分析的多解性。因此，深入研究撞击和太阳风辐射与物质的相互作用过程与机理，是认识月球表面物质演化和空间环境变化过程的关键，并为行星的宜居环境及其演化提供了不可替代的作用。
然而，由于月壤颗粒的尺寸微小且微观结构复杂，难以区分微陨石撞击和太阳风辐照的特征差异，造成对太空风化作用机制的认识还不够清晰。另外，陨石的撞击可能是随机事件，但太阳风的照射与纬度有关。美国阿波罗计划、前苏联月球号采集的样本都处于月球的低纬度范围。嫦娥五号采样点位于中纬度(43.06°N)，为月球不同纬度的空间风化研究提供了独特的视角。
基于这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所电子显微镜实验室谷立新高级工程师、地球与行星物理院重点实验室林杨挺研究员、李金华研究员，联合北京高压科学中心、中科院国家空间科学中心的科研人员，利用电子显微镜实验室开发的单颗粒样品操纵-扫描电镜形貌观察-聚焦离子束精细加工-透射电镜结构解析等系列分析方法，获得了嫦娥五号样品单颗粒表面多相物质（硅酸盐、氧化物、磷酸盐和硫化物）受到相同太空环境下的不同微观结构响应（图1）。
图1 月壤颗粒表面形貌
分析结果表明，暴露在玄武岩碎屑表面的所有矿物相都存在富Si/O元素的再沉积层，往下是太阳风辐照损伤层，但太阳风损伤层的结构和化学成分变化与基体矿物的种类有关（图2）。纳米铁(npFe0)、非晶化和囊泡结构是最常见的太空风化特征。我们发现辉石受太阳风辐照后损伤层的片层结构与辉石基体的出熔片层结构一致，提供了太阳风还原纳米铁的确凿证据。表面损伤层发生了非晶化，非晶层内的纳米铁颗粒呈球形，但晶粒尺寸（～3-5 nm）与基体片层的铁含量相关。钛铁矿受太阳风辐照保持了晶体结构，但发生了Fe-Ti元素迁移，还原的纳米铁颗粒呈拉长形（～20 nm）。硫化物表面呈锯齿状结构，没有明显的太阳风作用区域，主要是硫化物受太阳风离子剥蚀造成脱硫而形成铁晶须（几十nm～300 nm）。贫铁的白磷钙矿表面没有发现纳米铁颗粒。另外，钛铁矿和白磷钙矿的损伤层都出现了囊泡结构，但其形态不同，可能与各自的晶体结构及受到的表面张力有关。
图2 不同矿物相的微观结构
结合单颗粒多相物质表面形貌及内部结构的分析可以看出，月壤的太空风化作用主要是受到微陨石撞击、太阳风及宇宙射线的辐照等因素的共同作用，而各自贡献需要借助于精细的形貌和结构表征才能区分（图3）。通过与阿波罗样品的分析结果进行对比，月球样品的表层微观结构特征和形成机制没有表现出较大的差异，这为不同维度遥感光谱校正提供了支持。但是，微观结构的相似性并不意味着月壤表面保存的太阳风注入水没有差异。另外，由于空间风化效应的多样性，将月球的空间风化模型扩展到其他无大气行星时，还需要考虑其组成和空间环境的复杂性。
图3 太空风化作用过程及不同矿物相的响应模型
研究成果近期发表于国际学术期刊GRL（谷立新，陈永金，徐于晨，唐旭，林杨挺*，Noguchi, T.，李金华*. Space weathering of the Chang'e-5 lunar sample from a mid-high latitude region on the Moon [J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2022GL097875. DOI: 10.1029/2022GL097875）（原文链接）。研究受国家自然科学基金项目(42103035)、中国科学院重点部署项目(ZDBS-SSW-JSC007, QYZDJ-SSW-DQC001)、国家航天局民用航天技术预先研究项目(D020201, D020203)和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-202101)共同资助。