撞击是太阳系最普遍且最重要的外营力，贯穿行星的形成与后续演化过程。小行星撞击会产生极端的高温和高压条件，导致靶岩产生冲击变质效应，例如变形、分解、相变、熔融与汽化，反过来，这些冲击产物，尤其是高压矿物，能够揭示撞击事件的温度、压力以及冷却历史等重要信息。月球表面可见上百万个撞击坑，说明月球经历过强烈的小行星撞击，因此，简单的推理是月球样品中应富含高压矿物。但是，在月球样品中，尤其是返回样品中，高压矿物却少有报道，与理论预期相悖。
柯石英是地球上陨石坑中最常见的高压矿物，通常作为鉴别陨石坑的标志性矿物。目前，在月球陨石中发现了几种高压矿物，包括瓦茨利石、林伍德石、斯石英、赛石英、莱氏石等。然而，在月球返回样品中，高压矿物的发现极为罕见，主要为斯石英和赛石英。从相变机制的角度来看，月球样品完全具备形成柯石英的温压条件，但为何月球样品极少发现柯石英一直是月球科学有待回答的科学问题。
中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室周湛博士与其导师胡森研究员、以及我所嫦娥六号突击队，对近期返回的嫦娥六号月壤展开了高压矿物方面的研究。嫦娥六号（CE6）月壤来自月球南极-艾特肯盆地，该地体被认为是小行星撞击形成的撞击盆地，因此，嫦娥六号月壤为研究月球的冲击变质作用和撞击事件提供了重要契机。他们在一颗嫦娥六号月海玄武岩岩屑（MGP02,G01）中发现两个由小行星或陨石撞击形成的冲击熔融囊（shock-induced melt pockets, 图1a-b），在其中一个冲击熔融囊中发现了柯石英与镁铝榴石，熔融囊周围的斜长石已熔长石化。柯石英与二氧化硅玻璃共生，主要产出于二氧化硅颗粒的边部，呈现环状形态与较高的衬度（图1c），其拉曼光谱与柯石英的特征谱峰相同（图1d）。熔融囊内部可见辉石成分的重结晶矿物，拉曼分析结果显示为镁铝榴石与辉石集合体（图1d）。
图1 含柯石英的月海玄武岩碎屑的岩相学特征和拉曼光谱。（a）月海玄武岩碎屑（MGP02,G01）；（b）冲击熔融囊；（c）熔融囊中的二氧化硅碎屑，可见柯石英产出于二氧化硅碎屑边部；（d）熔融囊中各种矿物的拉曼光谱
他们对含柯石英的二氧化硅颗粒进行了聚焦离子束（FIB）切片，并借助透射电镜分析和确定了高压矿物的微观结构和晶体学特征（图2）。结果发现，二氧化硅碎屑内部也存在柯石英（图2a-图2b），并且与边部环状柯石英在空间上表现出连续性（图2c-图2d）。这两种产状的柯石英均呈现他形结构，晶粒尺寸不一，以及相似的晶体取向（图2c-图2h），其中部分柯石英具有尖叶状结构（图2e），晶间可见二氧化硅玻璃相（图2e-图2f）。结合柯石英的岩相、微观结构与晶体取向，他们推测柯石英是由二氧化硅玻璃通过固-固相变形成，且部分柯石英在减压过程中回退为二氧化硅玻璃。
图2 FIB切片的明场图像和柯石英的选区衍射图案。（a）FIB切片的二次电子图像；（b）FIB切片的明场图像；（c）和（d）沿二氧化硅碎屑边缘产出的环状柯石英的明场图像；（e、f）二氧化硅碎屑内部的柯石英的明场图像；（g、h）柯石英的多晶选区衍射图案
结合柯石英、熔长石、镁铝榴石等高压矿物的组合关系，他们限定了撞击事件的峰值温压条件，其中峰值压力约为24 GPa，峰值温度约为3000 K。基于发现的高压矿物，他们通过有限元热传导模拟估算冲击熔融囊冷却到柯石英形成并保存的时间约为4 ms（图3），并据此构建了完整的冲击压力-温度-冷却历史的轨迹，以及柯石英的形成机制（图4）。
图3 冲击熔融囊的二维热传导模拟结果。（a）基于岩相学所建立的模型几何形状；（b）柯石英中心、熔囊中心、熔囊边缘以及熔囊外的冷却曲线
图4 含柯石英的熔融囊的形成过程示意图，以及对应撞击事件的温度-压力-冷却演变轨迹
这一研究首次在月球返回样品中确证存在柯石英和镁铝榴石。柯石英与镁铝榴石相较于其它高压矿物，例如林伍德石和布里奇曼石，可以在更高的温度条件和更慢的冷却速率下保存。月表物质的孔隙度高，在遭受小行星/陨石撞击时，由于高孔隙度靶体的热传导性能差，导致靶岩冷却速率慢，不利于高压矿物的保存，这可能是月球样品中高压矿物发现较少的重要原因。基于这些认识，他们推测相对耐热的高压矿物，例如柯石英，可能在月球样品中较为丰富，值得进一步研究，有望为理解月球的撞击事件及其效应提供新的认知。
研究成果发表于国际学术期刊JGR: Planets（周湛，胡森*，何会存，高宇冰，李林曦，高亮，邱梦凡，周迪圣，刘焕欣，叶志虎，唐旭，谷立新，李晓光，杨蔚，林杨挺，李献华，吴福元. Discovery of coesite on the lunar farside[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 9: e2025JE009052. DOI: 10.1029/2025JE009052.）。该研究受国家自然科学基金（42241104）和中国科学院地质与地球物理所重点部署项目（IGGCAS-202204 & 202401）联合资助。研究样品由国家航天局提供。
周湛（博士生）