月球最为完整地记录了内太阳系近40亿年以来的撞击历史，其中小行星撞击通量的确定，成为月球和地外天体表面撞击坑统计定年的基础。但是，40亿年以来，这些撞击月球的小行星类型是否随时间变化？其机制是什么？这些都是太阳系演化的重大科学问题。由于月球没有大气对小行星的减速，小行星是以极高的速度（10-20公里/秒）撞击月球表面，不仅形成撞击坑，小行星本身在这一高能事件中发生熔融和汽化，绝大部分物质与月壤混合而难以识别，更难以鉴定小行星的类型。目前在月球样品中发现的陨石碎片且明确来源的陨石碎片仅3块（碳质球粒陨石、顽辉石球粒陨石和普通球粒陨石各1块）。这些陨石碎片的类型之所以能被识别，是因为这几块碎片较大，残留有硅酸盐物质。包括嫦娥五号在内的样品分析表明，月壤中实际混入的陨石物质可高达1%，且大部分陨石物质含有金属颗粒，易于分选。如果能通过对月壤中金属颗粒的分析，鉴定小行星的类型，则有望获得地质历史上撞击月表的小行星类型分布及可能的变化。
为了验证上述想法，中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生刘小莹，在导师林杨挺研究员的指导下，对嫦娥五号月壤中发现的一个金属碎片开展了详细的矿物化学和晶体结构分析。该金属碎片约250微米大小，呈圆球状，主要由马氏体（由镍纹石淬火而成）、铁纹石、陨磷铁镍矿和微量镍黄铁矿组成，其表面还黏附有少量成分类似于嫦娥五号玄武岩的胶结物（图1）。另外，陨磷铁镍矿和铁纹石区域含有大量基本呈定向排列的纳米颗粒出溶。能谱面扫描以及电子探针的分析结果表明该金属碎片各区域的成分较为均一（图1）。根据各区域的面积占比，推测得到这个金属碎片的全岩成分为：fe~87.1 wt%，ni~10.8 wt%，p~1.51 wt%，co~0.76 wt%，以及s~0.07 wt%。
图1 金属碎片的背散射电子图像和能谱面扫描结果
该金属碎片的矿物组成和主微量元素特征明显与月球本身的金属不同。目前月球样品中内生来源的金属没有陨磷铁镍矿的报道，ni含量具有较宽的变化范围（<1 wt%至~40 wt%）,但大部分的ni含量较低，且ni/co比值也较小（图2a）。这与嫦娥五号月壤中发现的这个含有陨磷铁镍矿的金属碎片及其ni含量和ni/co比值特征不相符。而这些特征与陨石中的金属具有相似性，表明这个金属碎片很可能是陨石来源（图2a）。因此，再将该金属碎片的矿物组成与富p、富ni和贫s的主微量元素特征与各类陨石中的金属进行综合对比，发现这个金属碎片跟已知的iid型铁陨石一致，后者属于稀有的、起源于外太阳系的铁陨石（图2）。
图2 金属碎片的来源鉴定
该金属碎片撞击月表时只经历较低程度的部分熔融，基本保留了原始的结构特征和矿物组成（图3）。根据fe-ni-p相图可知这个金属碎片的母体在撞击月球之前经历了如下的结晶序列：镍纹石 液相→镍纹石 液相 陨磷铁镍矿→镍纹石 陨磷铁镍矿→铁纹石 镍纹石 陨磷铁镍矿，这与该金属碎片所呈现的结构相一致。由于撞击产生的高温加热，使得结晶温度较低的铁纹石和陨磷铁镍矿发生了部分熔融，形成富p熔体，而结晶温度较高的镍纹石则基本没有熔融，保持着原有结构（图3）。之后由于快速淬火冷却，富p熔体快速结晶形成陨磷铁镍矿并且在温度进一步降低后析出纳米级金属颗粒，而镍纹石也在这个阶段发生马氏体转变（图3）。根据相图和部分熔融特征推测这一撞击事件的峰值温度大约在700-1000℃之间，表明金属碎片可能是低速撞击的残余物，也可能是疏松多孔的月壤使小行星撞击体有更多部分在高速撞击下得以保存。
图3 金属碎片撞击月表之后的形成演化示意图
研究证实，即使撞击残余物仅有金属，根据金属碎屑的岩相和矿物化学特征也可以鉴定出小行星撞击体的类型。在未来的月球探测任务中，可以利用磁选等方式在不同月表年龄的着陆区大量收集金属颗粒，并对它们进行鉴定分析和统计，从而有望揭示地月空间小天体类型分布及其随时间的演化模型，为太阳系行星轨道动力学演化提供新的重要参数。
研究成果发表于学术期刊science bulletin（刘小莹，谷立新，田恒次，李静，唐旭，胡森，林杨挺*. first classification of iron meteorite fragment preserved in chang’e-5 lunar soils [j]. science bulletin, 2024, 69 (4): 554-561. doi:.）。研究受国家自然科学基金项目（42230206, 42241152, 42103035）和中国科学院前沿重点研究项目（qyzdj-ssw-dqc001）的资助。
