嫦娥六号着陆的月球南极-艾特肯盆地（SPA）中心区域，以其异常微弱的地壳磁场信号而著称。然而，对其返回的月球土壤样品进行的磁学测量揭示了一个关键发现：与以往获取的月球正面样品（包括阿波罗、月球号及嫦娥五号任务样品）相比，嫦娥六号月壤展现出显著更高的磁化率与饱和磁化强度，其饱和剩磁（Mrs）值更是迄今所有返回月球样品中最高。这一“弱环境磁场”与“强土壤磁性”的显著矛盾，构成了亟待破解的核心科学问题。
为解开谜团，由中国科研实验室地质与地球物理研究所李金华研究员与潘永信院士领衔的研究团队，利用嫦娥六号取自SPA盆地的珍贵月壤样品，综合应用宏观磁学-多种显微学-微磁模拟等方法，精细区分了嫦娥六号月壤样品中不同类型铁磁性矿物的多种成因（内生成因、撞击成因等），厘清了铁磁性矿物的复杂组合及其独特的剩磁获取机制，为理解月球磁场演化、月壳磁异常和空间风化过程给予了关键约束。
研究认为，SPA盆地中心区相对较弱的地壳磁异常其根源可能是，月球内部发电机显著衰减或停止后（约十几亿年前）发生的多次撞击事件，引发了反复的热退磁作用，抹去了该区域早期记录的强磁场信号。与此形成鲜明对比的是，SPA盆地西北边缘显著的月壳磁异常，其成因则指向富含陨石来源及撞击成因金属铁的累积溅射物，这与先前的数值模拟结果一致。这项研究也对后续地外天体（如小行星和火星等）返回样品以及陨石样品的“磁性矿物-磁场-内部结构”的关联研究有借鉴意义。
研究成果正式发表于国际权威学术期刊NC（李金华*，邢琳，龚政，刘嘉玮，刘延，吴魏伟，朱珂磊，王宇钦，唐旭，谷立新，陈意，李秋立，曹朝阳，刘双迟，蔡书慧，潘永信.Magnetic signatures and origins of ferromagnetic minerals in Chang’e-6 lunar farside soils[J]. Nature Communications, 2025, 16: 6218. DOI:10.1038/s41467-025-61705-1.）。研究取得国家自然科学基金青年科学基金项目A类（原国家杰青项目，42225402）和国家自然科学基金卓越研究群体项目（原基金委基础科学中心项目，42388101）以及中国科研实验室地质与地球物理所重点部署项目（IGGCAS-202401）资助。
嫦娥六号月壤中铁磁性矿物形成途径及其相应剩磁获取机制示意图。铁磁性矿物形成途径包括：月球岩浆分异结晶及玄武岩熔岩流冷却，顺利获得撞击诱导熔融、外源陨石富铁物质的输送与沉积导致的再结晶，撞击形成球形纳米至微米级金属铁颗粒，空间风化过程（如太阳风辐照和气化沉积），这些多样化的来源使得铁磁性矿物表现出独特的物理、化学和磁学性质，从而能够获取多种类型的剩磁：热剩磁 (TRM)，化学剩磁 (CRM)，冲击剩磁 (SRM)，粘滞剩磁 (VRM)，沉积剩磁 (DRM)。这些剩磁在月球物质中的共存，为解读月球发电机历史、地壳磁异常及表面风化演化给予了关键约束
想解锁月球磁场的“前世今生”？关键钥匙是“载磁矿物”！
月球物质中的铁磁性矿物，如同记录月球演化的独特“日记本”，不仅铭刻着古老内部发电机（dynamo）的兴衰史诗，也留存了陨石撞击、太空风化等表面重大事件的印记。然而，月球的极端环境——无大气、极度干燥、强还原性——使得地球常见的磁性矿物（如磁铁矿）在此踪迹难觅。
月球磁性的“核心担当”是金属铁及铁镍合金。它们的身世迥异：有的是月球自己“土生土长”（内部岩浆活动形成的），有的是“天外来客”（陨石带来的）。这些“载磁矿物”在颗粒大小、形态、镍含量、内部结构上千差万别。正是这些差异，直接决定了它们记录磁场信息的能力和长期保存磁信号的稳定性。
月球南极艾特肯盆地（SPA）是月球最大、最古老（约42.5亿年）的撞击遗迹。其北部边缘具有高磁异常，但盆地中心磁场却相对微弱。这奇特的“强边弱心”现象是理解古月球磁场演化的关键线索之一。
中国嫦娥六号（CE6）探测器精准着陆于SPA盆地内阿波罗陨石坑南缘，并成功采集月壤样本返回地球。这份来自月球背面最古老盆地的珍贵“宇宙档案”，为科学家给予了首次对月球背面的“土壤密码”进行前所未有的“深度解析”的机会（图1）。
图1 嫦娥六号月壤的磁学特征。a. 南极-艾特肯盆地（SPA）内嫦娥六号着陆点的地形图。b. 嫦娥六号着陆区域附近月球表面投影的地壳磁场强度分布图。c. 磁滞回线（黑色），以及相应的等温剩磁（IRM）取得曲线（红色）和直流退磁（DCD）曲线（蓝色）。d. 一阶反转曲线（FORC）图谱，展示磁畴状态和相互作用。e. IRM取得曲线的分解，揭示三个矫顽力组分。f-g. 散点图，将嫦娥六号月壤与来自阿波罗（Apollo）、月球号（Luna）和嫦娥五号（Chang’e-5）任务的月球正面月壤进行对比：f. 低频磁化率（χlf） 对比 饱和剩磁（Mrs）；g. 饱和磁化强度（Ms）对比 饱和剩磁（Mrs）。h. Fe⁰/FeO对比Is/FeO（铁磁共振强度经总铁含量归一化）图，显示嫦娥六号月壤具有高成熟度水平。
显微慧眼溯源：锁定磁性矿物两大“家族”和多种成因
为破解“弱场强磁”之谜，中国科研实验室地质与地球物理研究所的研究团队动用了尖端显微分析“武器库”——三维X射线显微镜（3DXRM）、跨尺度的扫描电子显微镜（SEM）结合背散射电子（BSE）成像与能谱（EDXS）元素分析，以及聚焦离子束-扫描电镜-原子级分辨率扫描透射电子显微镜（FIB-SEM-TEM）关联分析，如同拥有了“显微慧眼”，成功将嫦娥六号月壤中的磁性矿物划分为泾渭分明的两大“家族”，并揭示了其多种成因（图2，图3）：
（1）“月球原生派”（内生成因——贫镍铁颗粒）：主要存在于玄武岩碎屑中。这些铁颗粒形状规则（自形），镍含量极低。其形态和成分特征清晰指向它们源于月球内部的岩浆活动，可能是月球远古岩浆洋分异结晶或月海玄武岩冷却过程中的产物。这些颗粒可能顺利获得含铁硅酸盐（如辉石、橄榄石）或硫化物矿物（如陨硫铁）的出溶作用形成。
（2）“天外来客派”（外源输入——富镍铁与合金）：大量富集于角砾岩、胶结物和玻璃质材料中。这些颗粒富含镍元素，形态多为球形或椭球形（常见于撞击熔融快速冷凝），且成分多变。这些特征无可辩驳地表明，它们的主要来源是陨石撞击！陨石带来的金属物质在剧烈撞击的高温高压环境下熔化、飞溅并快速冷却成形，最终成为土壤中的重要磁性载体。研究甚至首次在铁镍合金颗粒中检测到磷酸盐成分，揭示了月球金属矿物此前未知的复杂性。
（3）次生改造成因 I：撞击搬运与重结晶：角砾岩和玄武质撞击熔体中的部分铁颗粒和铁镍合金可能源自远处的火山源区，并在随后的撞击事件诱导下发生重结晶，属于混合派。
（4）次生改造成因 II：撞击熔融快速冷却：SPA盆地的反复撞击促进了熔融液滴的快速冷却，形成了大量富含陨石来源镍的纳米至微米级球形金属铁颗粒。
（5）次生改造成因 III：空间风化沉积：额外的月球表面过程进一步增加了嫦娥六号月壤铁磁性矿物学的复杂性。例如：太阳风辐照在月壤颗粒边缘产生纳米铁，撞击事件和银河宇宙射线（GCR）可以气化表面物质，随后将金属铁或铁镍合金沉积到现有的表土颗粒上。
图2 嫦娥六号（CE6）月壤的无损三维X射线显微（3D-XRM）成像与重建结果。a. 在约1微米体素分辨率下获取的二维切片，展示月壤的整体成分组成。b-e. 在约500纳米体素分辨率下，从代表性微区获取的放大二维切片，突出显示详细的内部结构纹理。f-i. 代表性颗粒的三维重建模型：f. 玄武岩颗粒；g. 角砾岩颗粒；h. 胶结物颗粒；i. 玻璃质颗粒
图3 嫦娥六号（CE6）月壤中铁磁性矿物的背散射电子扫描电镜（BSE-SEM）表征。a-d. 铁磁性矿物的代表性背散射电子扫描电镜（BSE-SEM）图像：a. 玄武岩碎屑中；b. 玄武质撞击熔体中；c. 胶结物中；d. 玻璃质胶结物中（黄色虚线框标记区域的放大细节）。e. 玻璃质胶结物，含有大量与陨硫铁（Tro）相关的球形和不规则金属铁（Ir）颗粒。f-g. 胶结物内的微米级金属铁颗粒（f）和铁镍合金（铁纹石，Kam）晶体（g）。h. 胶结物颗粒中与镍纹石（Tae）组合体相关的陨硫铁脉。i. h图中陨硫铁-镍纹石共生体的放大细节。j. 从区域（a-g 和 i 图中的红色虚线圆圈标示）采集的基于扫描电镜的能谱仪（SEM-EDXS）谱图，确认了金属铁或铁镍合金的成分。k. CE6月壤中金属铁颗粒的粒度分布，指示其潜在的超顺磁（SP）、单畴（SD）、涡旋畴（SV）或多畴（MD）行为。玄武岩物质含有稀有的贫镍铁颗粒，而胶结物和玻璃质物质则含有丰富的铁颗粒，其镍含量较高且多变
磁性颗粒的多样性与剩磁记录机制
铁磁性矿物成因的多元性，赋予了月壤记录多种类型剩磁的能力：原生玄武岩碎屑在冷却顺利获得其阻挡温度时取得热剩磁（TRM）；空间风化作用形成的颗粒记录化学剩磁（CRM）；高速撞击事件赋予冲击剩磁（SRM）；尽管月球环境无水，携带TRM的颗粒在顺利获得外逸层沉降过程中发生随机再定向，可产生净沉积型剩磁（DRM）；长时间暴露于微弱的月球环境场中，低矫顽力颗粒会逐渐取得随时间变化的小磁矩，可能部分覆盖更古老的信号，即粘滞剩磁（VRM）。
研究团队的宏观磁学测量和微观观察共同揭示了CE6月壤中金属铁颗粒多样的粒度分布及其对应的磁畴状态（图4，图5）。多频磁化率分析指示了超顺磁（SP）颗粒的存在，它们主要贡献磁化率，但对稳定剩磁无贡献。 FORC图谱表明单畴（SD）和涡旋畴（SV）颗粒的存在，电子显微镜下可见较大的颗粒指示多畴（MD）颗粒的存在。除了SP颗粒外，SD、SV和MD颗粒均能承载不同程度的稳定剩磁。剩磁的长期稳定性主要取决于以下三个因素：（i）磁性载体的固有性质（如矿物类型、成分、粒度和磁畴状态）；（ii）获取剩磁时环境磁场的强度和方向；（iii）后续经历的蚀变或冲击时间（可能导致磁信号覆盖）。
与磁铁矿相比，SD到SV态的金属铁和铁镍合金（包括铁纹石和富镍铁相）具有高的居里温度，从而提高了其热解阻阈值。然而，相对于SD-SV磁铁矿，它们更高的饱和磁化强度和更低的矫顽力，使其更容易受到冲击引起的磁畴壁移动和空间风化产生的表面缺陷的影响。尽管一些铁镍颗粒可能在形成后的晶体生长过程中取得热化学剩磁（TCRM），但最近的微磁模型和实验室实验表明，纳米尺度的镍纹石由于其矫顽力接近~250 mT，能够在地质时间尺度上保留稳定的原生剩磁。
图4 嫦娥六号（CE6）玄武岩样品 FIB_1 中金属铁颗粒的透射电子显微镜（TEM）表征。a. 明场透射电子显微镜（TEM）图像（局部视图），显示嵌入陨硫铁（Tro）中的金属铁（Ir）颗粒。b. 放大的 TEM 图像，突出显示金属铁颗粒的自形形态。c. 沿[
11]晶带轴方向观察的金属铁颗粒的选区电子衍射（SAED）花样，图中标定了衍射斑点及其对应的晶面间距（d-spacings）。d. 沿[
100]晶带轴方向观察的陨硫铁的 SAED 花样，图中标定了米勒指数（Miller indices）。e. 陨硫铁的高分辨率 TEM (HRTEM) 图像，图中标注了测量得到的晶面间距（d-spacings）。f. 分别在陨硫铁和金属铁颗粒上采集的代表性 TEM- EDXS谱图，证实铁颗粒内无可检测到的镍（Cu 峰来源于 TEM 样品杆）。
图5 陨硫铁-镍纹石脉（样品 FIB_5）中铁磁性矿物的透射电子显微镜（TEM）表征。a. 高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，展示陨硫铁（Tro）、镍黄铁矿（Pent）和镍纹石（Tae）的形态与尺寸变化。b-d. STEM-EDXS元素分布图。e. 放大的 HAADF-STEM 图像（a图中下部黄色虚线框标记区域），详细展示陨硫铁-镍黄铁矿-镍纹石界面。f. 原子分辨率 HAADF-STEM 图像，沿陨硫铁[
100] 和镍黄铁矿 [
]晶轴方向观察陨硫铁-镍黄铁矿-镍纹石界面。g. 镍纹石的原子分辨率 HAADF-STEM 图像（e图中区域），沿[
]方向观察；插图显示相应的快速傅里叶变换（FFT）衍射花样及原子结构模型（此方向铁原子不可见）。h. 放大的 HAADF-STEM 图像（a图上部黄色虚线框区域），展示陨硫铁-金属铁组合体，其邻近的陨硫铁中含有镍黄铁矿包裹体。i. h 图所示陨硫铁-金属铁界面的原子分辨率 HAADF-STEM 图像。j. i 图中金属铁的原子分辨率 HAADF-STEM 图像。右上角插图显示FFT 衍射花样，其上叠加的理论原子模型证实其具有 α-铁（体心立方，BCC）晶体结构
揭示“弱场强磁”之谜与未来研究展望
铁磁性矿物的复杂组合及其独特的磁化获取机制，为理解月球磁场演化、地壳磁异常和空间风化过程给予了关键约束：
（1）“高剩磁-弱异常”矛盾的新解：尽管嫦娥六号月壤展现出极高的剩磁承载能力（高Mrs值），其着陆区却对应着相对较弱的月壳磁异常。这一看似矛盾的现象，其根源很可能在于：在月球内部发电机显著衰减或停止后（约十几亿年前）发生的多次撞击事件，引发了反复的热退磁作用，抹去了该区域早期记录的强磁场信号。
（2）SPA盆地西北缘强磁异常的成因机制：与着陆区形成鲜明对比的是，SPA盆地西北边缘显著的地壳磁异常，其成因则指向富含陨石来源及撞击成因金属铁的累积溅射物，这与先前的数值模拟结果一致。模型研究表明，要产生SPA规模的磁异常，低（磁）化率物质需要堆积成远比高（磁）化率物质更厚的层状体。外源组分（如陨石和撞击产生的金属铁）恰恰具有高（磁）化率，是贡献磁异常信号最有效的物质。虽然我们的饱和剩磁测量反映的是月壤整体属性，但其作为所有返回月球样品中的最高报道值，结合电子显微分析结果，证实了嫦娥六号月壤中金属铁和铁镍合金的异常富集。这种高（磁）化率相的富集，显著降低了产生观测到的SPA磁异常所需物质的最小体积。
（3）厘清月球古磁场历史挑战与未来研究展望：基于阿波罗、嫦娥任务返回的全岩样品及月球陨石的大量古强度研究，支持月球曾存在一个内部发电机，其活跃期大约在42亿至15亿年前。然而，近期阿波罗样品的单晶古强度分析对这一“长期活跃发电机”假说提出了挑战，表明先前报道的高古强度值可能源于冲击或撞击过程诱导的次生磁化。这些分歧部分源于方法学局限：
（i）加热法（如Thellier实验）：反复、长时间的实验室加热可能改变月球铁镍合金和金属铁的微观结构及成分，从而损害原始磁场记录的保真度。
（ii）非加热法（如ARM/IRM）：将基于单一矿物标准品推导的经验校准因子应用于月壤中异质混合的铁磁性相，可能导致古强度估算存在2-5倍的不确定性。
（iii）磁性载体的高分辨表征：系统运用原子尺度分析技术（如SEM，TEM），依据形成过程区分磁性矿物群。例如，玄武岩中的自形贫镍金属铁颗粒更可能可靠记录原生发电机信号。
（iv）微区古强度测定：利用新兴的磁显微技术，在微纳米尺度上实现高空间分辨率的磁性和古强度测定。
（v）撞击效应分离：召开针对性研究，分离撞击生成的磁性矿物，以区分原生发电机信号与次生冲击剩磁。
（vi）多方法融合：整合上述先进表征技术与改进的古强度测定方案，是最终厘清月球磁场复杂演化历史及其地球物理意义的必由之路。
