中科院地球化学研究所&桂林理工大学：月球表面氧化还原过程的研究现状与进展--颗粒学报PARTICUOLOGY

月球风化层在无大气环境中经历了复杂的太空风化过程，记录了月球与太阳系内外物质和能量相互作用的关键信息。之前的研究已经建立了以还原过程为主导的太空风化模型，认为微陨石撞击事件和太阳风离子辐照主导了月表的还原过程，并通过“极度还原月球”理论解释了月壤中普遍存在的纳米相金属铁和光谱红移现象，这被认为是无大气天体表面物质对空间环境响应的重要方式。然而，月壤中撞击成因的磁铁矿、熔体中歧化反应形成的三价铁以及地球风诱导的氧化特征挑战了上述传统认知。同时也迫使我们去重新审视月表还原过程的时空耦合机制，构建一种新的能够协调多尺度观测结果的理论框架。本综述结合实验室分析结论和空间遥感数据，提出了月表多尺度氧化还原动力学框架，系统阐释了太空风化的三个关键反应体系：（1）气相沉积，（2）原位还原，以及（3）自氧化还原。该框架揭示了还原（全球性、持续性）与氧化（局域性、偶发性）过程的时空解耦机制，为理解复杂的月球表面演化机制和无大气天体表面演化提供关键的理论基础。

相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 103），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

研究背景

在月球超高真空（<10^-12 bar）与极端还原环境下，新暴露的撞击坑溅射物呈高反射率特征，而长期经受太空风化作用的月球风化层物质则表现出光谱红移、吸收带衰减以及整体反射率降低。这一现象源于不同尺度金属铁颗粒的差异累积——纳米相金属铁（np-Fe⁰）导致光谱红化，亚微米级金属铁则引起反射率骤降。因此，传统理论认为金属铁的形成机制主要有两种：微陨石撞击的气相沉积过程将Fe²⁺还原为np-Fe⁰，以及太阳风H⁺诱导的原位还原。随着高精度遥感探测和微尺度样品分析技术的发展，以Fe元素为主要载体的多尺度氧化过程逐渐被发现，如，月球表面形成的np-Fe⁰会被氧化为Fe²⁺甚至Fe³⁺，嫦娥五号月壤中发现的亚微米尺度磁铁矿颗粒，橄榄石表面的微陨石坑非晶层中np-Fe⁰和Fe³⁺共存等。同时，遥感数据还揭示月表高纬度区赤铁矿的分布较广泛，以及两极阴影区潜在的水冰物质对月表氧化过程的影响。这些发现深度表明月表氧化还原过程具有显著的时空异质性。因此，亟需我们重新梳理和构建月表太空风化过程的氧化还原动力学框架。

要点精读

1. 气相沉积过程

撞击产生的瞬态高温气相环境可促发等离子体云发生定向还原反应，其中，Fe²⁺捕获自由电子被还原为np-Fe⁰，在此过程中，可能会同时促使硅酸盐矿物中元素重组和新相形成。另外，除典型的铁硅化合物外，蓝辉铜矿和钛氧化物等非典型矿物的沉积还证实了月表撞击事件中复杂的气-固相反应路径。这些被归为由气相沉积驱动的月表还原开放体系。

图1.（a）嫦娥六号月壤中辉石颗粒表面含有单质金属铁颗粒和囊泡的气相沉积物；（b）微陨石撞击坑中的富钛纳米相矿物。

2. 原位还原反应

理论上，风化层颗粒中太阳风注入的H⁺可能会触发反应FeO+2H→Fe+H₂O，使二价铁被还原。然而，激光轰击模拟实验却表明H⁺并非np-Fe⁰形成的必要条件。另外，相关分析结果还表明撞击热事件也会诱导还原过程，使FeS分解并生成多孔Fe_xS_y与铁晶须。但是，关于H⁺还原及撞击引发的电子转移等对np-Fe⁰形成的贡献，以及亚稳态中间体np-FeO在空间环境中的长期稳定性等问题仍未得到解决。

图2.（a）多孔状Fe_xS_y和铁晶须的扫描电子显微镜图像；（b）橄榄石(Fa=96.8)中含囊泡状np-Fe⁰颗粒的HAADF图像，单质金属铁的结构信息可见左下角的快速傅里叶变化图像。

3. 自氧化还原反应

随着微尺度分析技术的发展，在月壤中发现了与单质金属铁共存的Fe³⁺离子和亚微米级磁铁矿颗粒，且有证据表明，撞击诱导的歧化反应（3Fe²⁺→2Fe³⁺+Fe⁰）和共析反应（4FeO→Fe₃O₄+Fe）可对这些月壤中存在的不同铁价态作出解释。这一发现不仅创新了月壤中单质金属铁的形成机制，同时也刷新了对“极度还原月球”风化模式的认知。由此可知，通过外部作用（如撞击等离子体瞬态氧化、太阳风辐照持续还原等）可诱发Fe、Ti等多价元素自发的电荷转移使价态重组，引起氧化还原过程。因此，研究无大气天体太空风化过程时需考虑外部作用带来的影响。但是，鉴于无大气环境中的氧化还原过程具有显著的时空异质性，局部微尺度氧化还原环境的作用不会打破“还原型月球表面”的观点。

图3. Chang'e-5月壤中铁的硫化物颗粒内部由撞击引起的矿物组合（a）具有磁铁矿和单质金属铁的球形铁的硫化物颗粒X射线能谱图；（b）半球状铁的硫化物中磁铁矿颗粒和单质金属铁颗粒共同析出。

亮点

1. 鉴于月球表面还原（全球性、持续性）与氧化（局域性、偶发性）过程的时空解耦机制，提出“气相沉积-原位还原-自氧化还原” 的多尺度氧化还原动力学框架，突破了单一还原主导的传统范式。

2. 提出“无大气天体氧化还原过程”的新定义，为解释无大气天体太空风化过程提供了全面的视角。

3. 基于不同时空尺度的多因素影响，完善了月球表面太空风化作用机制和无大气天体表面的演化理论。

主要结论与展望

太空风化作用及其演化过程可揭示月球表面多尺度复杂的物理和化学过程，对深刻认识无大气天体表壤的形成和演化具有重要意义。之前的研究将太空风化过程归因于气相沉积和太阳风离子还原。本文通过系统分析月球表面以铁元素为代表的氧化还原过程，阐明了代表还原过程的零价铁（Fe⁰）与代表氧化过程的三价铁（Fe³⁺）共存的时空解耦机制。建立了一个多尺度氧化还原框架，并提出“无大气天体氧化还原过程”的新定义。揭示了月球表面的氧化还原体系并非单一过程，而是由多种机制驱动（如太阳风粒子注入、微陨石轰击等）、跨越不同时空尺度（纳秒至十亿年，纳米至千米）协同作用的结果。修正了Apollo时期对月球表面太空风化框架的简单认知，为解释其他无大气天体表面的太空风化过程提供了全面的理论视角。

通讯作者简介

李阳，中国科学院地球化学研究所研究员、博导，任月球与行星科学研究中心常务副主任、公共技术分中心主任等职务，入选首批中国科学院特聘骨干岗位、月球样品专家委员会特邀专家、载人探月科学研究与应用系统专家委员会委员等。主要从事月壤与小行星表壤的形成与时空演化历史等研究。在月球表面氧化还原作用等方面取得多项重要成果，发表SCI论文60余篇，其中NS子刊论文5篇。获贵州省自然科学二等奖（2018）、贵州省先进工作者荣誉称号（2025）。

缪秉魁，桂林理工大学教授、博导，现任陨石与行星物质研究中心主任，曾任国际陨石协会陨石命名委员会委员，中国矿物岩石地球化学学会陨石与天体化学专委会主任。主要从事南极陨石收集、行星物质分析与太阳系早期演化等研究，是我国南极陨石研究的重要领军学者。发表SCI论文80余篇，承担国家自然科学基金和省部级科研项目等20余项。曾获广西自然科学二等奖。

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Wang, X., Cao, Z., Li, C., Hu, Z., Li, R., Li, Y., & Miao, B. (2025). Redox processes on the lunar surface: Current status and progress. Particuology, 103, 267-276. https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.06.003.

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