近日，中国科学院地球化学研究所月球与行星科学研究中心与关键矿产国家重点实验室的联合研究团队，通过对嫦娥六号（CE-6）月壤撞击玻璃珠的系统研究，揭示了月球高速撞击过程中碱金属（主要为钠、钾）的原子冷凝机制。研究发现，高温撞击（>2000 K）蒸发形成的硅酸盐大气中，氧气分子解离成氧原子并优先逃逸，导致大气局部缺氧，使得钠和钾以原子形式直接冷凝，并通过氧化还原反应在玻璃珠中留下了独特的化学指纹——边缘碱金属富集、FeO消耗与纳米金属单质铁生成。这一发现修正了高温下碱金属气化-冷凝物种一致的传统认识，完善了高速撞击形成短暂大气的氧化-还原机理，为理解无大气天体表面的物质循环提供了新视角。
1.CE-6冲击玻璃珠的形貌与分类
本研究从CE-6月壤样品中挑选了21颗冲击玻璃珠，通过扫描电镜（SEM）等手段对其形貌和结构进行了精细分析。根据形貌特征，这些玻璃珠可分为两类：一类内部均匀、结构致密，表明经历了完全熔融后的快速淬火；另一类则含有未熔融的矿物碎屑，记录了不完全熔融的过程。其中，两颗编号为G01和G17的玻璃珠呈现出独特的结构特征：纳米级金属铁（npFe0）颗粒沿玻璃珠边缘呈环状分布（图1）。电子探针（EPMA）成分分析显示，这两颗玻璃珠的MgO/Al2O3和CaO/Al2O3比值落入CE-6样品中“高地-月海混合型”撞击玻璃珠的成分范围，与嫦娥五号（CE-5）采样区以玄武岩为主的物质来源形成鲜明对比，为揭示碱金属行为的普遍性提供了关键对比依据。
图1 G01和G17撞击玻璃珠的BSE图像以及沿三个径向方向进行EPMA成分剖面分析的位置
2.独特的化学“指纹”：碱金属富集与铁还原的耦合
为精准刻画玻璃珠内部的化学变化，研究团队对G01和G17两颗玻璃珠进行了从中心到边缘的高精度元素剖面分析。结果显示，碱金属（Na2O、K2O）从中心向边缘呈现显著的富集趋势：以G01为例，Na2O含量从中心的0.10 wt%增至边缘的0.31 wt%，K2O从0.015 wt%增至0.047 wt%；G17的变化更为显著，Na2O从0.28 wt%增至0.88 wt%，K2O从0.066 wt%增至0.125 wt%（图2）。与之相反，氧化亚铁（FeO）含量从中心向边缘呈现明显降低趋势，G01中FeO从10.51 wt%降至10.04 wt%，G17中则从13.87 wt%降至12.84 wt%（图2）。与FeO的消耗相对应，玻璃珠边缘大量出现纳米级金属铁颗粒。这种“碱金属富集—铁消耗—金属铁生成”的空间耦合关系，构成了一个完整的化学“指纹”，强烈暗示着玻璃珠边缘曾经历过一个特殊的氧化还原过程。
图2 G01和G17撞击玻璃珠中Na2O、K2O和FeO沿径向剖面的代表性成分变化
3.物理机制揭秘：高温缺氧环境中的原子冷凝
传统的赫兹-克努森-朗缪尔（HKL）理论认为，硅酸盐熔体蒸发与冷凝的物种是一致的，即钠和钾均以氧化物形式进行相变。然而，本研究揭示的化学指纹显然与这一经典理论相悖。研究团队通过热力学计算和动力学模拟，揭示了其背后的物理机制：
超高速撞击可产生超过2000 K的瞬时高温。在此温度下，氧气分子（O2）会大量解离为氧原子（O）（图3）。根据麦克斯韦—玻尔兹曼速度分布，质量更小的氧原子（16 g/mol）比钠原子（23 g/mol）和钾原子（39 g/mol）更容易获得超过月球逃逸速度（2.38 km/s）的动能，从而优先逃逸到太空中（图4a）。这一过程导致撞击产生的蒸汽相中氧含量急剧降低，形成一个“缺氧”的瞬态大气环境。
图3 不同温度下O和O2的摩尔百分数
图4 不同温度下气相物种的速度概率分布
由于氧的优先逃逸，蒸汽相中氧分压显著下降。根据蒸发平衡反应Na2O (melt) ⇌2Na (gas) + 0.5O2 (gas)，为维持反应平衡，钠分压（pNa）和钾分压（pK）必然相应升高。根据勒夏特列原理（Le Chatelier’s principle），这将驱动氧化还原反应向右进行：2Na/K (gas) + FeO (melt) → Na2O/K2O (melt) + Fe (melt)。该反应使得钠和钾以氧化物的形式“融入”玻璃珠边缘，同时将FeO还原为金属铁（图5）。随后的扩散过程使碱金属氧化物向内部迁移，形成了观测到的浓度梯度（图2）。对玻璃珠热历史的数值模拟进一步表明，G01和G17的冷却速率分别高达~13500 °C/s和~1420 °C/s，这种极端快速的淬火完美地“冻结”了反应瞬间的化学梯度，使其得以保留至今。
本研究揭示的碱金属行为与月球火山玻璃（如阿波罗74220号样品）形成了鲜明对比。火山玻璃珠形成于较低温度（<1800 K），在此条件下：氧气分子（O2）稳定存在，不会大量解离（图3）；钠、钾、氧的逃逸速率相近，蒸汽保持氧化环境（图4b）；碱金属以氧化物形式直接冷凝，不伴随FeO还原和金属铁生成。这一对比清晰地表明，温度是决定碱金属在月表行为的关键（图5）。
图5 月球超高速撞击（>2000 K）与火山喷发（<1800 K）环境中碱金属挥发分行为的差异示意图
4.科学意义：从CE-5到CE-6的普遍性验证
通过CE-6高地来源的玻璃珠与CE-5月海玄武岩来源的玻璃珠对比，验证了这一原子冷凝机制的普遍性。CE-5采样区位于月球正面，以年轻的月海玄武岩为主；CE-6采样区位于月球背面南极-艾特肯盆地，混合了很多外来物质（苏长岩、斜长岩）。两者组成成分截然不同，却在各自形成的冲击玻璃珠中发现了完全相同的化学指纹：边缘碱金属富集、FeO消耗和金属铁生成。这一趋同现象有力证明：原子钠钾蒸汽的冷凝并非取决于母岩成分，而是超高速撞击过程中固有的物理化学过程，是月球表面普遍存在的“通用机制”。
本研究证实了原子钠钾蒸汽冷凝机制在月球超高速撞击过程中的普遍性，并阐明了该机制形成的化学指纹需极端快速冷却方能保存的动力学条件。本研究不仅深化了我们对月球表面挥发分行为的基本理解，也为无大气天体（如小行星、水星等）表面物质演化研究提供了重要的理论框架。
上述研究成果发表在国际期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。论文第一作者为中国科学院地球化学研究所月球中心硕士研究生李明洋，通讯作者为中国科学院地球化学研究所月球中心许英奎研究员和关键矿产国家重点实验室朱丹研究员。该研究得到国家航天局嫦娥六号月球样品支持；中国科学院战略性先导科技专项（XDA0430303）、国家自然科学基金（NO. 42441804、42373020、42173046）、贵州省高层次创新型人才项目（GCC[2022]017-1）以及国家重点研发计划（2022YFF0503100、2024YFF0807500）为本项目的研究提供了资助。
（月球中心 李明洋、许英奎、朱丹/供稿）