太空风化是月球及太阳系其它无大气天体表面的改造过程之一，包括微陨石轰击、太阳风离子注入、高能宇宙射线作用等，其中月球表面的微陨石轰击环境具有：粒径小（~1–200 μm）、速度快（>15–20 km/s）、通量大（~500–2000 t/y）等特点。高速微陨石轰击月壤可通过高温熔融、破碎、气化、沉积、胶结等机制改造月壤的物质组成、成分、光谱、物理性质等。由于月表物质组成多样、微陨石轰击过程复杂、轰击产物不稳定等多因素的耦合影响，关于月球表面微陨石轰击的改造机制及其效应（如：月壤中过度金属Ti元素受到微陨石轰击引起的物相、价态、同位素组成、月壤特性等变化机理）认识不完善、甚至存在争议。
图1 月壤微陨石撞击坑中的Ti纳米矿物（左图为假彩色图，蓝色区域为撞击溅射物）
中国科学院地球化学研究所联合澳门科技大学和广东工业大学，通过对嫦娥五号月壤颗粒开展研究，在月壤玻璃珠表面微陨石撞击坑中发现一系列含Ti的蒸发沉积颗粒，TEM分析结果显示这些含Ti颗粒为金红石（TiO2）、三方结构Ti2O（Trigonal-Ti2O）和三斜结构Ti2O（Triclinic-Ti2O）3种Ti纳米矿物（图1）。其中，三方Ti2O和三斜Ti2O两种物相之前尚未在天然地质样品中被发现，而在材料学领域，Ti2O是一种可在实验室内制备的光催化薄膜材料。研究揭示了月壤中这些Ti纳米矿物的成因过程：高速微陨石轰击月表钛铁矿颗粒，形成Fe、Ti、O等的复杂离子环境，随后Ti4+和Ti1+与O2-结合形成纳米级的（<300 μm）金红石（TiO2）、三方Ti2O和三斜Ti2O颗粒（图2）。
图2 月壤中Ti纳米矿物的微陨石轰击成因过程示意图
研究结果完善了对月球表面太空风化过程的认识，也为理解太阳系其他无大气天体（水星、小行星等）表面的空间风化过程提供线索，主要科学意义包括：
（1）新发现：发现天然产出的三方Ti2O和三斜Ti2O两种纳米新矿物相，这是月球样品中发现的第七、第八种月球新矿物（图3）。
（2）新证据：获得月球表面微陨石轰击对Ti氧化物（钛铁矿等）改造过程及效应的矿物学证据，发现的Ti纳米矿物为之前未识别（或被忽略）的太空风化产物，完善了我们月球表面太空风化作用过程的理解。
（3）新观点：由于金红石（TiO2）和Ti2O是有效的天然光催化物质，所以研究提出了太空风化（微陨石撞击）可以改变月壤光催化特性的新观点，也提出具有光催化特性的金红石（TiO2）和Ti2O存在可能会影响太阳系无大气天体（碳质小行星等）表面有机质的保存。
图3 月球返回样品中相继发现的新矿物相（本研究报道了第七、第八种月球新矿物）
该工作近期在《Nature Astronomy》行星科学期刊上刊载，这是月球地质、月表空间环境、TEM分析技术开展交叉研究的成果。研究工作得到了国家重点研发计划项目、中国科学院先导专项、国家自然科学基金项目等项目的资助。
论文信息：Zeng, X. (曾小家)#, Wu, Y. (吴焱学)#, Yu, W. (于雯), Bing Mo (莫冰), Wen, Y. (文愿运), Zhao, X. (赵小媚), Li, X. (李雄耀)*, Zhang, X. (张小平)*, Liu, J. (刘建忠)* (2024). Unusual Ti minerals on the Moon produced by space weathering. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-024-02229-4
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02229-4
（增小家 供稿）