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。
图1. 月球表面多尺度氧化还原动力学框架示意图
研究主要总结了三大氧化还原过程：
1、 气相沉积
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2. (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
1、 原位还原
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FeₓSy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3. (a)多孔状FexSy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
1、 自氧化还原
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4. 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的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
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。修正了阿波罗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。
上述研究成果发表在Particuology期刊上。该研究得到了国家自然科学基金（42441804, 42273042, 和 42303041），深空探测全国重点实验室开放基金课题（NKDSEL2024003），国家自然科学基金（U24A2008），中国科学院地球化学研究所“从0到1”原创探索培育类项目（DHSZZ2023.3），中国科学院前沿科学与基础研究局（QYJ-2025-0103），贵州省高层次创新型人才项目(GCC [2023] 088)，黑龙江省重点研发计划项目（2024ZXDXB52），中国科学院地球化学研究所科技创新发展基金项目，贵州省基础研究计划项目（QKHJC-ZK [2023]- General473）的资助。
论文信息：Xi Wang, Zhi Cao, Chen Li, Zhenhao Hu, Rui Li, Yang Li*, Bingkui Miao*. Redox processes on the lunar surface: Current status and progress. PARTICUOLOGY.
链接：https://doi.org/10.1016/j.partic.2025.06.003
（李阳课题组/供稿）