月球作为地球的近邻，其表面密布的撞击坑记录着地月系统近四十亿年来遭受小天体轰击的历史。这些剧烈的撞击不仅重塑了月球的地貌，也是改造月表物质组成、控制月壤动态演化的主导力量。撞击瞬间产生的高温高压瞬态云团，成为驱动月球表面发生化学反应、促进物质迁移以及挥发分再分布的关键引擎。月壤颗粒表面常覆盖的富硅层或富硫层，即被认为源自撞击云团中的气相沉积产物。在月壤中发现的多种特殊矿物，如蓝辉铜矿、褐硫钙石、自然铜、哈普克矿等，也很可能形成于撞击云团在特定温压条件下的气相凝结过程。此外，尽管太阳风氢离子注入是月表水的重要来源，但在永久阴影区，由于缺乏太阳辐射，其水冰的富集需要外部动力驱动，小天体撞击所引发的挥发分迁移很可能是其中一种关键机制。上述化学反应的发生以及挥发分的空间迁移能力高度依赖于撞击云团内部的温度和压力环境，然而，月球表面近乎真空，这类云团的内部状态与持续时间一直难以直接探测，极大地限制了我们对撞击所引发的一系列复杂表面过程的理解。
为了深入研究上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所林杨挺研究员团队，对嫦娥五号月壤中发现的一颗形成于撞击云团的特殊金属熔珠，开展了详细的微观结构和矿物化学分析，并且结合高温高压实验、相图以及撞击云团的膨胀模型，成功反演了陨石撞击事件中云团内部完整的温度-压力-时间（P-T-t）演化轨迹。
研究团队在嫦娥五号月壤中发现了一颗具有独特不混溶结构的铁镍金属熔珠，该金属熔珠富含P和S，其内部由大量富金属（Fe-Ni）球粒、富硫化物球粒及富磷化物基质三部分构成（图1）。富金属球粒呈（扁）球型/哑铃型，表现出聚集融合的特征；富磷化物基质则以网状基质的形式充填于富金属球粒之间；富硫化物球粒主要呈球形，散布于富磷化物基质中。该结构与Fe-P-S三元体系的高温高压熔融淬火产物非常相似。
图1 富P-S金属熔珠及其元素分布特征
通过扫描电镜、电子探针及透射电镜等多尺度分析手段，结合Fe-P-S体系的高温高压实验，研究团队对金属熔珠进行了系统研究。其矿物组成和化学成分特征表明，该金属熔珠起源于铁陨石。在铁陨石撞击月表后，该金属熔珠在产生的云团中发生完全熔融，随后快速淬火，从而形成独特的不混溶结构。金属熔珠各相的形成与成分受控于云团内部的热温压状态。该研究的创新性研究思路在于：将金属熔珠内部不同相（FeNi金属、硫化物、磷化物）的化学成分、形态、尺寸分布视为记录其温度-压力-时间演化历史的“热力学密码”。
基于Fe-P-S体系中P和S在不同温压条件下的分配行为（图2），团队获得了金属熔珠在撞击云团内部从完全熔融至冷却结晶全过程的完整温度-压力演化历史（图3），关键演化过程如下：
（1）初始均一熔体阶段：撞击初始，巨大的能量使月表物质和撞击体物质熔化与气化，形成一个撞击云团，云团中的铁镍金属、陨磷铁镍矿和陨硫铁集合体完全熔融，形成均一的FeNi-P-S熔珠。相图分析表明，此过程需要极端条件：温度>1800 ℃，压力 >11-16 GPa。
（2）首次相分离（富金属球粒形成）：随着云团膨胀，温度和压力迅速下降，FeNi-P-S熔珠迅速析出大量金属球粒，与富含P和S的熔体共存。根据P在金属相与残留P-S熔体间的分配系数与压力的关系，计算出金属球粒从均一熔体中析出时对应的压力约为11-16 GPa。
（3）二次相分离（P-S熔体不混溶）：残余的P-S熔体在压力进一步降低至1 bar-3 GPa、温度降至1000-1100 ℃时，再次发生不混溶，分离形成富S球粒和富P基质。
（4）结晶固化：随着温度的进一步降低，富P基质和富S球粒最终分别结晶为陨磷铁镍矿和陨硫铁，随后析出大量纳米级颗粒。
图2 Fe-P-S体系中轻元素的分配
基于金属熔珠中球粒的大小分布与实验室已知冷却速率下形成的球粒尺寸对比，推算出该熔珠的冷却速率高达700-1600 ℃/s。结合上述温度-压力演化路径，计算得出金属熔珠从初始均一熔体的高压阶段演化至发生第二次相分离的近常压阶段所经历的时间约为0.5-1秒。这表明金属熔体的高压维持时间为近秒级，与撞击云团绝热膨胀模型在相同条件下预测的冷却和减压所需时间相吻合。这一结果首次为月表撞击云团中高温-高压状态随时间的演化提供了直接的样品证据约束，并得到撞击云团膨胀模型模拟结果的相互印证。
图3 金属熔珠在撞击云团中的形成过程示意图
该研究将撞击成因金属熔珠的热力学演化史与撞击动力学过程相关联，其发现对于理解月球表面多个关键过程具有重要启示：
（1）为月表化学反应提供必要的物理条件。撞击云团在近秒级时间尺度内维持高压，意味着其在膨胀初期仍保持较高的气体密度。这为气相沉积反应提供了必需的动力学环境，合理解释了月壤颗粒表面常见的富硅或富硫层，以及近期在嫦娥样品中发现的蓝辉铜矿、褐硫钙石等气相凝结矿物的形成。
（2）助力月表挥发分的迁移与富集。撞击云团在秒级时间尺度维持较高压力，能够有效束缚气体组分、延缓其逃逸。这支持部分云团物质（包括水等挥发分）在未达到月球逃逸速度的情况下，能够回落到月表，甚至迁移至冷阱区域被保存下来，为永久阴影区水冰的富集机制提供理论依据。此外，云团内部较长时间的高气体分压也有助于挥发分进入撞击玻璃珠等产物，为挥发分的保存与迁移创造了有利条件。
研究成果发表于国际学术期刊Icarus（刘小莹#，张驰#，岳宗玉，谷立新，李静，田恒次，胡森，林杨挺*. Duration of high temperature-pressure conditions in impact-induced plumes on the Moon [J]. Icarus, 2026, 449: 116969. DOI:10.1016/j.icarus.2026.116969.）。研究受国家自然科学基金项目（42230206）和中国科学院地质地球所重点部署项目（IGGCAS-202401）的资助。
刘小莹（博士后）
