劉小瑩|林楊挺等-JGR：嫦娥六號外來金屬揭示碳質(zhì)小行星的晚期增量撞擊

小行星撞擊深刻影響了行星早期的地質(zhì)過程和地球宜居環(huán)境的演化。保存在月球上的撞擊坑和小行星殘留物質(zhì)，是小行星撞擊歷史的重要記錄，其通量和類型變化反映了太陽系行星與小天體的軌道動力學(xué)演化。同時，碳質(zhì)小行星撞擊還向月球和地球輸運了一部分的水和有機物。通過對不同年齡月表上撞擊坑的大量統(tǒng)計和返回樣品的同位素年齡測定，獲得了撞擊通量的衰減曲線，這也成為撞擊坑定年的基礎(chǔ)。另一方面，對撞擊體的類型及其隨時間的演變研究非常缺乏。 地球上已收集超過79600塊隕石，涵蓋近40個化學(xué)群（代表不同的小行星母體），但它們僅代表近2個百萬年內(nèi)撞擊地球的小行星類型分布。 對古生代灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)的大量古隕石統(tǒng)計，表明其類型與現(xiàn)今隕石類型有明顯差異，但更早時期的情況則很少有記錄。

月球最為完整地記錄了地月系統(tǒng)近40億年以來的撞擊歷史。月壤中普遍分布的鐵鎳金屬及其鉑族元素組成為示蹤小行星類型提供了獨特的地球化學(xué)“指紋”：其一，鐵鎳金屬易于識別，且在撞擊過程中可以保存下來；其二，基于隕石學(xué)的認(rèn)知，鐵鎳金屬廣泛分布于各類小行星中，且其微量元素組成具有顯著的系統(tǒng)性差異。因此，對來自不同時期的外來金屬進行系統(tǒng)的分析，統(tǒng)計其代表的小行星類型分布，有望揭示撞擊地月系統(tǒng)的小行星類型隨時間的演變規(guī)律。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所林楊挺研究員團隊，從嫦娥6號月壤樣品中發(fā)現(xiàn)40個含金屬顆粒的撞擊碎屑（圖1），并對其開展了系統(tǒng)的巖相學(xué)和礦物化學(xué)分析。撞擊碎屑根據(jù)礦物組成可分為玄武質(zhì)和斜長質(zhì)兩大類，前者主要來源于著陸區(qū)本地約28億年前噴發(fā)的玄武巖，保存了過去28億年積累的小行星碎片，后者來源于更古老的月球高地，小行星物質(zhì)的加入時間向前延伸到43億年前。納米離子探針等分析結(jié)果確證，這兩類撞擊碎屑中的絕大多數(shù)鐵鎳金屬為小行星碎片，僅4個碎屑中的金屬可能混入了月球本身的金屬。更進一步，這兩類撞擊碎屑中的小行星金屬在化學(xué)成分上顯示出系統(tǒng)差異：玄武質(zhì)撞擊碎屑中的顆粒含0.17-21.8 wt% Ni、0.12-1.76 wt% Co、0.07-10.6 μg/g Ir和0.01-3.40 μg/g Au，而在斜長質(zhì)撞擊碎屑中相對更富Ni（大部分>10 wt%）和Co（>0.5 wt%），且Ir（0.41-5.52 μg/g）和Au（0.36-4.86 μg/g）的含量均較高。

圖1 嫦娥六號玄武質(zhì)和斜長質(zhì)撞擊碎屑中的鐵鎳金屬

這些成分差異表明小行星類型分布存在隨撞擊時間的變化：在13個斜長質(zhì)撞擊碎屑中，絕大多數(shù)金屬顆粒來源于內(nèi)太陽系的普通球粒隕石和鐵隕石，未發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)球粒隕石型金屬（<8%）；而在27個玄武質(zhì)撞擊碎屑中，碳質(zhì)球粒隕石型金屬的比例則高達約26%（圖2）。這兩種樣品中撞擊體類型的變化，表明在約4.3 Ga至2.8 Ga期間，撞擊地月系統(tǒng)的小行星類型發(fā)生了顯著變化，早期的撞擊以非碳質(zhì)小行星為主，而晚期碳質(zhì)小行星的相對貢獻顯著增加。

圖2 鐵鎳金屬的來源與分類。全部7個碳質(zhì)小行星金屬均發(fā)現(xiàn)于年輕的玄武質(zhì)撞擊碎屑中

研究團隊的新發(fā)現(xiàn)表明在4.3-2.8 Ga期間，太陽系曾發(fā)生過重要的事件。基于現(xiàn)有的認(rèn)識，存在三種可能的事件：（1）巨行星發(fā)生了軌道遷移，將大量外太陽系的碳質(zhì)小行星散射進入內(nèi)太陽系；（2）雅克夫斯基效應(yīng)，該效應(yīng)對于反照率較低且揮發(fā)分含量較高的碳質(zhì)小行星更為顯著，隨時間積累，使更多碳質(zhì)小行星進入地月系統(tǒng)；（3）一顆或多顆大型碳質(zhì)小行星在此期間發(fā)生碰撞解體，產(chǎn)生大量碎片，顯著提高了碳質(zhì)小行星撞擊月球的概率（圖3）。在未來的月球探測任務(wù)中，通過采集更多不同年齡月表的月壤樣品，將進一步精細刻畫小行星類型隨時間的演變規(guī)律，加深對內(nèi)太陽系撞擊歷史的認(rèn)識，并為太陽系的天體軌道動力學(xué)演化提供關(guān)鍵參數(shù)。

圖3 三種可能的動力學(xué)機制，即巨行星遷移對小天體軌道的擾動（a），雅克夫斯基效應(yīng)改變軌道（b），碳質(zhì)小行星母體的碎裂，形成小行星群（c）

碳質(zhì)小行星富含水和有機物，其“登場”時間早晚對于地球及類地行星中水和有機物的含量有重要影響。主流觀點認(rèn)為地球的建造材料主要來源于“干燥”的內(nèi)太陽系物質(zhì)，因此，后期小行星的撞擊，對水和揮發(fā)分的輸送可能十分重要。該研究表明，早期撞擊地月系統(tǒng)的碳質(zhì)小行星占比很低（<8%），它們的主要撞擊時間較晚，由于此時撞擊通量已顯著降低，因此很大程度上限制了碳質(zhì)小行星對地月系統(tǒng)水和揮發(fā)分含量的貢獻。

研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊JGR-Planets（劉小瑩，郝佳龍，李靜，田恒次，胡森，岳宗玉，陳意，楊蔚，賈麗輝，谷立新，Ross N. Mitchell，林潮，林楊挺*，李獻華，吳福元. Late Bombardment of Carbonaceous Asteroids Recorded in Chang'e‐6 Lunar Metals [J].Journal of Geophysical Research: Planets, 2026, 131(4): e2026JE009653. DOI: 10.1029/2026JE009653 .）。研究受國家自然科學(xué)基金項目（42230206, 42550204）和中國科學(xué)院地質(zhì)地球所重點部署項目（IGGCAS-202401）的資助。