科學通報 | 月球表面的水分布與緯度和月壤成熟度相關

月球探測和研究的一個熱點與前沿科學問題是水的分布與來源. 這里的水并不僅僅是我們日常所見的液態水, 而是泛指所有含氫的各種組分, 包括H2O、OH(羥基)、H2、H+(氫離子)等. 實際上, 只要有氫的存在, 都能通過化學反應將其轉化為H2O的形式. 月球起源的主流假說是大撞擊說, 即曾經有一個火星大小的行星胚胎(稱為Theia, 忒伊亞)與地球發生撞擊, 碰撞后的高溫物質在地球周圍形成一個盤, 最終聚集形成月球 [1] . 高能量大撞擊形成的月球, 應該“非常干”. 基于對阿波羅返回月球樣品的分析, 很長時間對月球的認識是“非常干”. 但是, 這一情況在2008年發生了戲曲性轉變. 對阿波羅15和17采集的火山玻璃珠分析, 發現其月幔源區的水含量可與地幔相當 [2] . 在此之后, 關于月球的“干”與”濕“之爭成為月球研究的熱點. 我國嫦娥五號返回了迄今為止最年輕的玄武巖樣品(20.3億年) [3] , 通過水含量和氫同位素分析, 確定其月幔源區的水含量不超過 1~5?ppm (g/t) [4] ; 嫦娥六號首次從月球背面的南極-艾肯盆地返回28億年的玄武巖, 其水含量更低于 1~1.5?ppm [5] . 月球內部的水含量對月球大撞擊模型、月幔部分熔融和火山活動等提供了關鍵約束.

除了月球內部, 月球表面的水含量與空間分布不僅是同樣重要的科學問題, 而且是未來月球基地建設和運營的重要資源. 由于長期的隕石轟擊和太陽輻射, 月球表面形成了一層厚達十幾米的月壤. 通過月球軌道衛星的光譜測量, 獲得了全月表的水(或羥基)含量分布, 其變化范圍從低緯度 <100?ppm 至高緯度 700~800?ppm, 呈現明顯的緯度效應 [6] . 對返回的嫦娥五號月壤顆粒H含量和同位素組成的離子探針分析, 獲得顆粒表面H的注入剖面和極貧D(氘)的同位素組成, 證明是太陽風注入成因 [ 7 , 8 ] . 同時, 嫦娥五號著陸于中緯度(南緯43.1°)區域, 其月壤顆粒注入的太陽風H含量明顯高于采集于低緯度的阿波羅樣品(北緯26.1°~南緯8.97°), 揭示了太陽風注入H的緯度效應, 從微觀層面證實了軌道光譜探測的月表水含量分布特征. 但是, 這些月壤樣品全部采集于月球正面, 而月球由于潮汐鎖定, 正面永遠朝向地球, 月球背面仍是謎團. 同時, 中緯度的樣品僅有嫦娥五號, 月表水含量的緯度變化及其機理需要更多樣品的佐證. 此外, 如何將宏觀月壤樣品的光譜測量與單顆粒表層 100?nm 范圍的氫含量微區分析聯系起來, 需要對同一樣品進行分析研究.

林紅磊等人 [9] 對嫦娥六號從月球背面采集的月壤樣品開展了高分辨率的紅外光譜、氫含量和氫同位素研究, 成果發表在 Nature Geoscience . 嫦娥六號采樣點位于南緯41.6°, 與嫦娥五號著陸點緯度高度非常接近, 代表了月球中緯度區域. 本次研究用到 2?g 月壤樣品, 粒度 <1?mm, 為避免空氣中水分的影響, 樣品保存在高純N2手套箱(水含量低于 0.1?ppm), 并在其中進行光譜測量. 光譜測量是采用嫦娥五號/六號的備份件, 以確保與月表原位測量的儀器指標和光譜響應一致. 同時, 在光學顯微鏡下總共挑選了24個不同礦物的顆粒, 用于納米離子探針的H含量深度剖面和同位素分析. 此外, 為了獲得月壤樣品的太空風化程度, 采用穆斯堡爾譜儀測量其金屬鐵含量.

光譜測量結果表明, 樣品在 2.8?μm 處有明顯的水(羥基)特征吸收峰( 圖1 ). 從測量的光譜上可以直觀看出, 嫦娥六號樣品 2.8?μm 的吸收峰明顯強于嫦娥五號, 表明前者含有更高的水含量. 基于 2.8?μm 吸收峰的強度可定量估算月壤樣品的水含量, 其中嫦娥六號樣品的水含量為183 ± 34?ppm, 明顯高于嫦娥五號樣品 (~40?ppm) [ 10 , 11 ] 和阿波羅樣品 (~63?ppm) [6] . 納米離子探針分析表明, 水在月壤顆粒中主要分布于最表層 100?nm, 且含量從表面~1.0 wt%~1.7 wt%向深部逐漸降低. 該水含量深度剖面與嫦娥五號樣品幾乎完全一樣, 且兩者均顯著高于阿波羅樣品( 圖2 ). 此外, 嫦娥六號月壤的氫同位素極為貧 D (δ D =–983‰), 也與嫦娥五號樣品相同.

圖1 嫦娥六號月壤樣品的可見-近紅外光譜(修改自Lin等人 [9] ). (a) 嫦娥六號月壤水的光譜吸收特征. (b) 嫦娥六號月壤光譜斜率及與嫦娥五號、阿波羅樣品對比

圖 2 不同緯度月壤顆粒的納米離子探針氫含量剖面(修改自Lin等人 [9] ). (a) 嫦娥六號樣品. (b) 阿波羅樣品. (c) 嫦娥五號樣品

嫦娥六號月壤顆粒的表面水含量剖面特征表明, 這些水是由外部注入, 即太陽風中的氫離子注入產生. 這一結果也得到了氫同位素組成的確證, 因為太陽風的氫同位素極貧氘, 完全不同于月球內部的水, 以及隕石和彗星撞擊加入的水. 根據月壤顆粒表面的氫含量和嫦娥六號月壤顆粒的粒度分布 [12] , 假設全部氫以水的形式存在, 則估算出的水含量約為 407?ppm. 但是, 前人研究表明實際上只有20%~50%的H轉化成H2O或OH的形式直接存在, 由此得到后者的含量約為 81~203?ppm, 這與光譜的測量結果一致. 這一結果還充分證明, 嫦娥六號月壤的水基本上來自太陽風的注入.

嫦娥六號與五號月壤顆粒表面的氫含量深度剖面幾乎完全一致, 反映了它們經歷了非常相似的太陽風注入, 因此也證明太陽風的注入不受正面或背面的影響. 由于月球表面太陽風的通量隨緯度升高而降低, 這與嫦娥月壤顆粒表面的氫含量顯著高于阿波羅樣品正好相反, 表明太陽風氫離子注入月壤顆粒的關鍵控制因素并不是通量, 而是月表溫度. 嫦娥六號月壤顆粒的太陽風注入情況雖然與嫦娥五號樣品相似, 但光譜測量給出的水含量明顯不同, 嫦娥六號月壤高于五號, 這一差異可歸因于嫦娥六號相較五號更高的月壤成熟度( 圖1(b) ). 穆斯堡爾譜儀測量的結果顯示, 嫦娥六號月壤還原形成的金屬鐵比例為0.96 wt%, 而嫦娥五號樣品僅為0.44 wt%.

通過對嫦娥六號月壤的光譜分析、穆斯堡爾譜儀測量, 以及單顆粒的離子探針分析, 揭示了月表水的太陽風主要來源. 同時, 太陽風的氫離子注入不受月球正面與背面的影響, 但其含量隨緯度升高和月壤成熟度的升高而顯著增加. 新發現表明月表高緯度地區的高成熟月壤含有最高的水含量, 將是月球重要的原位資源.

參考文獻

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[3] Li Q L, Zhou Q, Liu Y, et al. Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’e-5 basalts . Nature , 2021 , 600: 54 -58

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[8] Zhou C, Tang H, Li X, et al. Chang’e-5 samples reveal high water content in lunar minerals . Nat Commun , 2022 , 13: 5336

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[11] Lin H, Xu R, Li S, et al. Higher water content observed in smaller size fraction of Chang’e-5 lunar regolith samples . Sci Bull , 2024 , 69: 3723 -3729

[12] Li C, Hu H, Yang M F, et al. Nature of the lunar far-side samples returned by the Chang’e-6 mission . Natl Sci Rev , 2024 , 11: nwae328

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