月球物质被认为是在还原环境中形成并保存的，其中仅存在Fe2+和 Fe0。以前返回的月球样本中尚未验证存在原生氧化矿物，如赤铁矿。在这项工作中，报告了在最近返回的嫦娥六号（CE6）月球土壤中，在覆盖在陨硫铁上的微米级晶体 Fe2O3，包括赤铁矿（α-Fe2O3）和磁赤铁矿（γ-Fe2O3）。冲击诱导的氧气释放可能创造了局部的微米级高氧逸度区域，在约 700°至 1000°C 的温度下促进了 Fe2O3 的形成。这一发现为月球表面存在 Fe2O3 提供了可信的证据，挑战了传统的月球表面氧化还原状态的理解。

      月球形成的巨撞击假说表明其成分与地球地幔相似。以往的研究表明，月球物质的氧逸度显著低于地球，而巨撞击起源应该导致了原始月球中挥发性物质（包括氧）的损失。月球岩浆过程的长期低氧逸度，加上持续的太阳风辐照，进一步促进了月球矿物中元素的低价态。在过去的几十年里，人们认为月球物质是在还原环境中形成和保存的。直到最近，从返回的月球样本或遥感观测中都没有确认到赤铁矿（α-Fe2O3）的矿物学证据。 然而，在阿波罗返回的月球土壤样品中，已模糊地识别出含三价铁的物质，包括磁铁矿和铁氢氧化物。但实验研究表明，如赤铁矿、黄铜矿和针铁矿这类含三价铁的矿物在月球表面是不稳定的，这表明阿波罗样品中的铁氢氧化物很可能是由地球污染造成的。月球矿物学测绘仪的遥感观测表明，在高纬度地区（高于 75°）广泛存在高度氧化的赤铁矿（α-Fe2O3）。有人提出，来自地球高层大气的氧气可能作为主要氧化剂形成月球赤铁矿。然而，这一赤铁矿的遥感观测需要未来着陆和采样任务进行进一步探索。此外，最近的一项研究指出，这些观测可能是轨道光谱数据集中的假信号。 此外，通过使用最先进的高分辨率显微分析技术，在嫦娥五号（CE5）月球土壤中鉴定出微量纳米级磁铁矿。

图一：CE6 碎屑样品(CE6C0300YJFM001GP003)中研究铁氧化物矿物的形态、成分和晶体结构。(A) 抛光切片中含 Fe2O3 的碎屑的 BSE 图像。 (B) 在 (A) 中虚线矩形处取的 FIB 薄膜 BSE 图像。 (C) 由元素图谱识别的铁氧化物（品红色）和钛铁矿（青色）晶粒之间的明显边界。虚线表示赤铁矿和磁赤铁矿/磁铁矿之间的边界。 (D) 沿 (C) 中白色箭头的定量 TEM-EDX 曲线。 (E) 赤铁矿 (α-Fe2O3) 晶粒的高分辨率 TEM 图像。快速傅里叶变换 (FFT) 图案显示在左下角。 (F) 含 Fe3+ 的晶粒的 Fe L2,3 电子能量损失谱，并与标准数据（Fe3+ 和 Fe0）进行比较。Hem，赤铁矿；Mgh，磁赤铁矿；Mag，磁铁矿；Tro，钛铁矿；Ilm，钛铁矿；Mes，基质。

      九颗含有赤铁矿（α-Fe2O3）的颗粒，与陨硫铁和钛铁矿等铁矿物相关，最初通过拉曼光谱分析CE6土壤识别。从角砾岩碎块（CE6C0300YJFM001GP003）中选取了一个含有微米级赤铁矿（~3 μm × 1.7 μm）的碎片进行进一步测量。在背散射电子（BSE）图像和角砾岩碎块的能谱（EDS）元素分布图上观察到赤铁矿位于陨硫铁颗粒的表面。从该碎片中提取了一片聚焦离子束（FIB）膜片以进行额外的显微验证。FIB 膜片中的赤铁矿被鉴定为一个帽状Fe2O3颗粒，位于陨硫铁之上。帽状 Fe2O3 颗粒的边缘厚度在100至300纳米之间。随后，通过 FIB 膜片的化学和微观结构综合分析，识别出两种Fe2O3相（赤铁矿和磁赤铁矿）。

      定量透射电子显微镜（TEM）-能谱仪（EDX）成分图谱显示，赤铁矿颗粒被富含 Si 和 O 的薄层覆盖，表明Fe2O3并非由激光加热产生。由于该薄层特征不明显，在拉曼光谱分析中未观察到该层。无法识别的拉曼峰特征表明该层高度无定形，缺乏晶体前驱体的任何结构残余，与完全玻璃态、非晶态相一致。TEM 观察显示该层厚度均匀，且无流动构造或与熔融喷射物通常相关的形态。EDX 成分测量表明该层仅由Si和O组成，未检测到主要造岩元素（如 Al、Fe、Mg 和 Ca）的可检测浓度。这些观察结果表明，该层最可能是从富含 Si 和 O 的蒸汽羽流中形成的玻璃态凝结物。鉴于所研究的颗粒尺寸较小，不能完全排除其他来源的可能性，例如淬火熔体的部分。

      铁氧化物和辉石之间的界限在EDX成分图中清晰界定。辉石表现出晶粒内微裂纹，而氧化物晶粒则无裂纹。这种微观结构表明，辉石晶粒可能源自玄武岩母岩的碎裂，而氧化物晶粒则来自碎裂后的过程。然而，没有证据表明辉石晶粒没有通过多次碎裂事件经历一次或多次再循环。元素映射进一步证实，含铁的晶粒仅由Fe和O组成，没有其他可检测元素。Fe/O 原子比在0.62至0.70之间，与Fe2O3成分一致。高角环形暗场（HAADF）图像证实了氧化铁部分具有良好的结晶性，并由多个亚微米单晶组成，具有清晰的边界。这表明赤铁矿的形成可能涉及多个晶核的发展。沿晶带轴区域对氧化铁颗粒上部的透射电子显微镜（TEM）高分辨率图像显示（012）晶格条纹，周期性为 3.68 Å。选定区域电子衍射图谱中（012）与（104）之间的夹角测量为 47°。 这些参数与赤铁矿（α-Fe2O3）的晶体结构一致。此外，电子能量损失谱（EELS）中铁的 L2,3 边在~708.0 eV 处是最清晰的诊断特征，用于识别 Fe3+（ 图 1F，红线）。这些原位显微证据与拉曼结果一致。

二 矿物潜在形成机制

      以往研究提出了月球上三价铁的几种形成机制，包括内源性和外源性机制。在本工作中，CE6 样品中观测到的含Fe3+矿物主要存在于月球风化层角砾岩中，而非岩浆玄武岩碎片中。这一观测结果表明，火山事件中并未发生氧化作用。

     另一种可能性是，赤铁矿颗粒可能被来自地球高层大气的氧气氧化，这种氧气通过一种通常被称为地球风的现象产生。在这种情况下，地球风中的活性氧（例如氧离子）作为氧化剂，促进了月球表面物质中二价铁的自发氧化。这种机制与CE6样品中观察到的赤铁矿的长期形成相一致。然而，考虑到地球风的穿透深度通常小于100 纳米，微米级结晶赤铁矿的形成不能归因于地球风引起的氧注入。更突出的是，本研究中观察到的Fe2O3颗粒表面被富硅和富氧的玻璃质层覆盖，该层作为保护屏障，可抵御还原性太阳风以及任何潜在的地球风相互作用。这种玻璃质层也为Fe2O3形成的蒸汽沉积机制提供了确凿的证据。

      CE6 风化壳中的Fe3+氧化物很可能是由大型撞击事件产生的。在大型撞击事件期间，Fe2+离子会在高温和高氧逸度的条件下被氧化为Fe3+。在大型撞击事件期间，氧化物和硅酸盐矿物容易分解，向周围环境释放氧气。这种氧气的释放产生了一种具有局部高氧逸度的非均匀蒸汽环境，其中Fe2+离子被氧化为更高价态，最终形成赤铁矿和磁赤铁矿等铁氧化物。 这一假设得到了微观晶体结构透射电镜观察的进一步支持，这些观察表明氧化铁与下方的橄榄石之间存在生长关系。这表明 CE6 样品中的铁矿物在局部被氧化并在蒸汽环境中沉积。

图二：CE6 月岩样品中铁氧化物的形成情景图示

       提出，这种赤铁矿颗粒并非太空风化的产物，而是由大规模撞击事件（如 SPA 和阿波罗任务）产生的高氧逸度羽流所生成，这导致了FeS的脱硫、Fe2+ 的氧化以及 Fe2O3 的生成。CE6 样品中观察到的橄榄石表面上的 Fe2O3 以及其他地方缺乏富硫相的存在表明，硫很可能在撞击脱气过程中以挥发性物质的形式丢失。根据 Fe─O─S 相图，随着氧逸度的增加，橄榄石（FeS）会在广泛的温度范围内逐渐氧化成磁铁矿（Fe3O4），最终生成赤铁矿（Fe2O3）。比较相稳定性分析表明，从磁铁矿到赤铁矿的转变（600 至 2000 K）在高温下受到越来越强的抑制（图 S6），这表明脱硫后的橄榄石的氧化在相对较低温度条件下更有利。 对陨硫铁脱硫反应的实验限制（31），考虑到陨硫铁脱硫的反应条件，表明铁蒸发的最低温度约为 973 K（约 700°C）（29）。这一温度条件低于钛铁矿的分解阈值温度（约 1000°C）（32），这与在赤铁矿颗粒旁边发现的钛铁矿的存在情况一致。鉴于 CE6 着陆点位于撞击盆地的边缘附近，我们推断观察到的氧化作用发生在喷射羽流相对较远且较冷的区域，温度低于约 1000°C。尽管不足以使钛铁矿分解，但这种区域热扰动仍可能促进陨硫铁的脱硫、铁质相的气相传输和沉积，在氧化条件下发生。这与钛铁矿与赤铁矿颗粒共存的情况一致，表明氧化反应发生在 973 至 1273 K（700°至 1000°C）之间。 进一步支持这一解释的证据来自于对赤铁矿颗粒表面玻璃质层的成分分析。这种非晶质材料完全由 Si 和 O 组成，EDX 光谱分析揭示其缺乏其他主要造岩阳离子。鉴于 SiO2 在冲击相关条件下（33）在常见月球氧化物中表现出最高的饱和蒸汽压，我们将其解释为在大型冲击羽流边缘附近形成的蒸汽沉积物。然而，撞击体的尺寸仍然是一个悬而未决的问题，需要进一步的建模和观测证据。