摘要：行星物质中的载磁矿物，保存着行星磁场起源-演化-强度的“天然录音机”。在月球研究中，长期主流观点认为金属铁和铁镍合金是记录月球磁场的主要载体。近期，中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员牵头的中外团队，采用“显微学-同步辐射-微磁学”的多技术关联手段，在嫦
行星物质中的载磁矿物，保存着行星磁场起源-演化-强度的“天然录音机”。在月球研究中，长期主流观点认为金属铁和铁镍合金是记录月球磁场的主要载体。近期，中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员牵头的中外团队，采用“显微学-同步辐射-微磁学”的多技术关联手段，在嫦娥五号月壤中识别出一类撞击成因的磁铁矿（Fe₃O₄）。该磁铁矿在成分-结构-磁畴状态上与地球常见的磁铁矿显著不同，指示其在低氧逸度、富硫的月球微环境下通过界面控制的顺序结晶形成，并具备稳定携带古磁场信息的潜力。
需要强调的是，这一发现并不意味着磁铁矿取代金属铁/铁镍合金成为月球的“第一载磁物”；相反，它提示在特定、局地的微环境中，磁铁矿同样可能充当高质量的磁记录者，值得系统开展普查与机理研究。相关成果发表于Communications Earth & environment（李金华*，张朝群，李琛，陈意，张庆华，兰倩倩，王宇钦，吴巍伟，王建，龚政，唐旭，沙学超，谷立新，程师其，刘沛余，刘嘉玮，李秋立，谷林，黎刚，李阳，Rafal E. Dunin-Borkowski, Andrew P. Roberts，潘永信，Impact-generated magnetite in Chang’e-5 soil as a potential recorder of lunar magnetism. 2025, 6:878.）。本研究获国家自然科学基金青年科学基金项目A类（42225402）、国家自然科学基金卓越研究群体项目（42388101）及中国科学院地质与地球物理所重点部署项目（IGGCAS-202202、 IGGCAS-202401）的资助。
01 地球与月球：载磁矿物的“分工”为何不同？
地球环境：有大气与水圈，氧逸度相对较高，含Fe³⁺的磁铁矿稳定且普遍，因而在古地磁与古环境重建中长期居于“主角”。
月球环境：极度干燥、强还原（氧逸度远低于IW缓冲线），不利于Fe³⁺相稳定，因而金属铁与Fe-Ni合金更常见并主导磁记录。
自阿波罗时代起，尽管通过全岩磁性、电子自旋共振和穆斯堡尔谱等手段积累了月球磁铁矿的间接证据，并在少数样品（如Apollo 16角砾岩、近年的CE5/CE6月壤与玻璃）中有过明确识别，但其物理-化学-磁学性质、成因路径与携带剩磁的能力仍缺乏系统约束。
图1地球与月球环境不同造成载磁矿物差异
02 我们如何锁定这类“与众不同”的月球磁铁矿？
本次研究对嫦娥五号月壤样品CE5C0600YJFM00402中一颗微小撞击熔融角砾岩（CE5-023_P13）开展无偏筛查-定点开窗-多尺度联测的“链式”分析，尽量排除束致氧化等分析假象：
（1）μXRF微区元素普查：在CE5-023样品阵列中识别出多个Fe-Ni-S富集颗粒，选取CE5-023_P13进行深度表征。
图2CE5月壤颗粒阵列的μXRF微区元素成像及P13颗粒挑选
（2）3D-XRM透视 + FIB-SEM原位开窗：三维定位硫化物域，微米级切割并制备厚度~100 nm的超薄片。显微学分析表明，母岩为长石质硅酸盐基质，伴少量钛铁矿、尖晶石、橄榄石与硫化物。硫化物呈表生包裹与细脉贯入，边部具同心Fe-Ni-S环带，记录富硫化物熔体裹挟-快速淬冷-亚固相线再平衡的序列过程。
图3通过关联µXRF（a）、3D-XRM（b-d）和FIB-SEM（e-k）识别CE5-023_P13中的陨硫铁-镍黄铁矿组合。为尽量减少重复电子束曝光可能引起的分析假象，我们分别制备了三个独立的超薄切片，用于（i）矿物学（FIB-1），（ii）化学（FIB-2），和（iii）微磁学分析（FIB-3）。
（3）原子分辨率矿物学（Cs-HAADF-STEM/EDXS）：在纳米-原子尺度明确三相共生：陨硫铁（FeS）-镍黄铁矿（ (Fe,Ni)₉S₈）-磁铁矿。显著现象是：（i）磁铁矿优先附着于镍黄铁矿晶界/外缘，多位于硫化物-硅酸盐界面或微裂隙附近；（ii）镍黄铁矿与陨硫铁之间呈共格出溶关系，且陨硫铁晶体缺乏囊泡、含Si包裹体或纳米相金属Fe，表明硫化物相代表了相对原始的物质；（iii）磁铁矿与镍黄铁矿界面存在外延取向，指向界面受控的后期成核与生长。
图4FIB-1超薄切片中识别磁铁矿
（4）价态-位点“指纹”（同步辐射STXM-XAS/XMCD）：磁铁矿的Fe L₂,₃边谱显示八面体位点Fe²⁺信号显著，Fe³⁺特征相对减弱，与地球常见磁铁矿不同，符合月球低氧逸度背景下的Fe²⁺富集/Fe³⁺相对亏损。同时，在磁铁矿晶界与裂隙内常见纳米级镍黄铁矿包体，并与宿主晶格形成相干界面，记录了渗入—外延—再平衡的微观演化。
图5FIB-2超薄切片中磁铁矿的化学和结构表征
（5）磁畴直观成像 + 微磁模拟：二维几何约束下的有限元微磁模拟显示粒度跨越超顺磁（SP）-单磁畴（SD）-单涡旋（SV）-多磁畴（MD）；对~800×500 nm泪滴状晶粒的离轴电子全息在零场条件下直接成像到稳定单涡旋（SV）态，与模拟结果一致，证明其强剩磁稳定性。
图6本研究中发现的月壤磁铁矿的微磁模拟
图7 FIB-3超薄切片中月球磁铁矿颗粒的电子全息观测
03 月球磁铁矿新发现及其地学意义
有何不一样？以前大家多在陨硫铁内部找到月球磁铁矿，并将其陨硫铁（FeS）内部的反应产物相关联；本研究识别到的磁铁矿则紧贴镍黄铁矿（(Fe,Ni)₉S₈）、位于硫化物-硅酸盐界面，粒径从数纳米至数微米、多呈不规则形。其形成遵循“先镍黄铁矿快速结晶 → 后磁铁矿在界面外延成核”的顺序结晶链路，与传统“陨硫铁脱硫/FeO共析”模型显著不同。
有什么新特征？本次识别的月球磁铁矿是非化学计量、缺陷多的类型，Fe²⁺偏多、Fe³⁺偏少，正好说明它们是在极低氧环境里结晶的。晶体里到处可见纳米级的镍黄铁矿小包裹体，这在地球磁铁矿里非常少见，说明它们和镍黄铁矿是紧密共生，并且经历了复杂的成核与生长过程。
有什么重要意义？微磁模拟和电子全息一致表明，本研究识别的磁铁矿颗粒尺寸跨越SD -SV窗口。该类畴态具有较高矫顽力与强剩磁稳定性，可有效抵御热扰动与外场退磁，因而具备在地质时间尺度上长期保存磁信息的能力。由此推断：这些纳米—微米级月球磁铁矿可作为高保真“天然磁记录介质”，忠实留存其形成/冷却时的月球磁场信号。这一发现具有多重深远意义：（1）载体谱系拓宽：将界面外延型、Fe²⁺富集的非化学计量磁铁矿明确纳入月球磁性载体清单，从矿物学与微结构层面补充了月球磁学传统范式；（2）过程机制更新：揭示撞击—熔体—界面反应—顺序结晶的新路径：先镍黄铁矿沿陨硫铁边部快速结晶，继而在硫化物—硅酸盐界面外延成核磁铁矿；该模型区别于经典的陨硫铁脱硫/FeO共析框架，为月表撞击后熔体的氧化还原条件与冷却动力学提供了微观约束；（3）古磁学工具提升：与普遍更细、易入超顺磁（SP）的金属铁相比，处于SD/SV尺寸域的磁铁矿更易获得并保持热剩磁或热化学剩磁（TRM/TCRM），信号稳定、可定量、可重复，为开展高精度古强度（如 Thellier–Thellier）与退磁曲线解析提供理想对象。
需要注意的是，上述进展并不意味着磁铁矿取代金属铁和Fe-Ni合金成为月球的主要载磁矿物。就全月尺度的氧逸度与物质组成而论，后者仍是主导贡献者；本研究及既往零星报道的磁铁矿更可能代表特定、局地微环境（如撞击诱发的短时熔体与挥发分参与）下的次要但关键载体。
正因如此，未来的研究道路更加清晰而迫切：（1）系统普查与统计约束：在月海/高地多类型样品中，围绕硫化物—硅酸盐—钛铁矿玻璃等界面开展无偏抽样与丰度—尺度—共生组合统计，量化磁铁矿的赋存频度与空间分布；（2）成因复现实验：在可控的低氧逸度、含硫/含Ni体系中做撞击-淬冷-再平衡实验，验证“先镍黄铁矿、后外延磁铁矿”的序列；（3）古磁流程与微磁耦合：面向纳米—微米粒度，建立小样本古强度/退磁—再磁化流程，与有限元微磁模拟联动，桥接颗粒—样品—壳层磁异常多尺度解释；（4）真伪判别与束效校正：推进低剂量/剂量标定电镜与拉曼策略，实施多技术互证，严控束致氧化与外源污染，确保“原位—原生”判据的可复核性。
总之，本研究没有改变“金属铁与 Fe–Ni 合金主导月球载磁”的总体认识，但显著推进了关于“磁铁矿能否在月球环境下形成并稳定带磁”的证据边界。未来，通过更大样本量、多技术互证与受控实验—数值模拟的合力，回答“哪里有（赋存）—怎么生（成因）—能否稳（磁稳定性）”三问，有望将当前的“偶遇证人”转化为可量化、可复核的证据链，从而以磁铁矿为抓手，细化月球磁场演化与近表环境演变的时间—空间约束。
来源：中科院地质地球所
