前情回顧
月球是太陽系無大氣天體的典型代表,是目前探測次數(shù)最多,表面水分布和含量認識最全面的地外天體?!翱巳R門汀”、“月球勘探者”、“月船一號”、月球南極撞擊實驗等一系列探測任務對月表水的含量和分布進行了廣泛地探測,發(fā)現(xiàn)月表水存在幾個個典型特征:(1)月表水呈現(xiàn)明顯的緯度差異,高緯度地區(qū)明顯比低緯度的水含量高,極區(qū)可能存在水冰(Clark, 2009; Sunshine et al., 2009);(2)月表水的含量呈現(xiàn)與月球的晝夜變化相關,相同位置在晨昏時刻的水含量明顯比中午時刻高(Sunshine et al., 2009; W?hler et al., 2017);(3)月表水的含量僅為10-1000微克/克 (Clark, 2009),局部有比較高的區(qū)域(Li and Milliken, 2017)。這些特征說明,月表雖然有水,但含量低,且動態(tài)變化,暗示月表水可能隨時間會發(fā)生遷移?!霸虑虼髿馀c塵埃環(huán)境”探測任務檢測到月球空間環(huán)境中的水分子逃逸,逃逸的時間與流星雨事件相關,但是計算表明月表水的輸入量明顯小于月球空間的水逃逸量,因此推測流星雨撞擊月球時把月壤中儲存的一部分水蒸發(fā)到月球空間導致逃逸,進而提出了月表水循環(huán)(Lunar surface water cycle)猜想(Benna et al., 2019)。該猜想認為,月表10厘米到3米區(qū)域可能有一個未被發(fā)現(xiàn)的儲水層(圖1)。

圖1?月表水循環(huán)的示意圖(改自Benna et al.,2019)
月壤中的哪種組分能夠維持月表水循環(huán)呢?中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所的研究團隊首先梳理了月壤的主要組成,主要包括巖屑、角礫、膠結物、礦物碎片、撞擊玻璃(珠)、外源物質(zhì)、細粒月壤等主要組分,他們推測月壤中的玻璃可能是維持月表水循環(huán)的重要載體,理由有兩點:(1)玻璃具有儲水能力;(2)玻璃是月壤中普遍存在的組分,且具有較高的豐度。因此,三年前,他們從嫦娥五號返回月壤中挑選了月壤中代表性的玻璃組分——撞擊玻璃珠,開展了相關的探索。研究發(fā)現(xiàn),月壤中的均質(zhì)撞擊玻璃珠可以儲存豐富的太陽風成因水,確證月壤中的撞擊玻璃具備維持月表水循環(huán)的能力和潛質(zhì),相關結果詳見《何會存等-NG:小珠子,大作用》(圖2;He et al., 2023)。

圖2?撞擊玻璃珠參與月表水循環(huán)模式圖。Stage 1:?撞擊玻璃珠的形成,該過程伴隨著強烈的沖擊,形成的玻璃珠均勻干凈,幾乎失去了其所有的揮發(fā)性成分。Stage 2:?太陽風質(zhì)子注入顆粒表面形成水合分子,而后水向玻璃珠內(nèi)部擴散。Stage 3:?攜帶水的玻璃珠在月表“翻耕”作用下向月壤深處轉移,形成月壤中的“水庫”。表層新形成的玻璃珠繼續(xù)接受太陽風成因水的擴散,同時在溫度升高的條件下(光照或隕石撞擊),水被釋放到月球外逸層
嫦娥五號撞擊玻璃珠富含太陽風成因水的開拓性研究帶了新的啟示,首先需要回答撞擊玻璃珠儲存太陽風成因水是否具有普適性,其次需要深入理解在月表及其嚴苛的環(huán)境下撞擊玻璃如何能儲存太陽風成因水。本篇“小珠子,大作用”系列(二)旨在通過分析嫦娥五號之外的撞擊玻璃珠來檢驗其儲存太陽風成因水是否具有普適性,并對撞擊玻璃的儲水機理進行拓展研究。
研究發(fā)現(xiàn)
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學與前沿技術實驗室博士后何會存與其導師胡森研究員、嫦娥六號樣品研究突擊隊、南京大學等圍繞撞擊玻璃珠儲存太陽風成因水的普適性這一科學問題,選擇了我國近期返回的、距離嫦娥五號數(shù)千千米遠的嫦娥六號月壤作為分析對象,從中挑選了28顆均質(zhì)的玻璃珠,開展了玻璃珠儲存太陽風成因水的普適性研究。他們發(fā)現(xiàn),嫦娥六號月壤中的28顆均質(zhì)玻璃含有豐富的成分類型,其中15顆為高地玻璃,12顆為玄武質(zhì)玻璃,1顆為苦橄質(zhì)成分的撞擊玻璃,與以玄武質(zhì)玻璃為主的嫦娥五號月壤有顯著差異。通過微區(qū)水含量與氫同位素組成分析,他們發(fā)現(xiàn)CE6玄武質(zhì)撞擊玻璃珠的水含量小于1000 克/噸(微克/克),僅為CE5的一半(圖3);玄武質(zhì)撞擊玻璃珠的水含量與氫同位素組成具有明顯的負相關性(圖3)。剖面分析結果顯示部分玄武質(zhì)玻璃珠水含量邊部高、核部低的環(huán)帶特征,且富水條帶小于4微米,僅為CE5的十分之一(圖4)。這些特征一方面確證月壤撞擊玻璃珠儲存太陽風成因水具有普適性和全球性,同時也表面玻璃珠儲存特征在正背面存在差異。CE6斜長質(zhì)撞擊玻璃珠的分析結果顯示,這些玻璃珠與玄武質(zhì)玻璃珠相比,具有明顯低的水含量和更高的氫同位素組成(圖3),且沒有探測到太陽風成因水的擴散特征,水含量在單顆珠子內(nèi)部沒有顯著變化(圖5)。
與CE5相比,為何CE6玄武質(zhì)玻璃珠儲存太陽風成因水更低?為何斜長質(zhì)玻璃珠幾乎不含太陽風成因水?他們對造成這些差異的原因進行了分析,例如,暴露時間,地質(zhì)年齡,太陽風通量和能量等影響因素進行了逐一識別,發(fā)現(xiàn)這些因素無法解釋現(xiàn)有觀測數(shù)據(jù)。進而,他們對玻璃珠中的太陽風成因水含量與玻璃珠的成分開展了相關性分析,發(fā)現(xiàn)玻璃的成分可能是影響玻璃儲存太陽風成因水能力和效率的關鍵調(diào)控因素,玄武質(zhì)玻璃與斜長質(zhì)玻璃相比,具有更高效吸收太陽風氫的能力,同時,更富鐵和鈦的玄武質(zhì)玻璃比貧鐵和鈦的玄武質(zhì)玻璃更容易吸收和儲存太陽風氫。

圖3?嫦娥六號撞擊玻璃珠的水含量和氫同位素組成。?(a)CE6均質(zhì)撞擊玻璃珠的水含量與氫同位素組成(δD)呈現(xiàn)負相關關系,富水端元為太陽風成因水(δD < -900‰);(b)單顆均質(zhì)撞擊玻璃珠的平均水含量與δD值。Farside IGBs為CE6撞擊玻璃珠,Nearside IGBs主要數(shù)據(jù)來自嫦娥五號月壤

圖4?玻璃珠邊部氫元素分布圖。嫦娥六號玄武質(zhì)玻璃珠WGP15,G25 (a-b)和WGP17,G23(c-d)邊部的氫含量分布,玻璃珠邊部具有明顯富水環(huán)帶,指示太陽風成因水向玻璃珠內(nèi)部擴散保存,但擴散深度小于4μm

圖5?嫦娥六號撞擊玻璃珠的水含量和氫同位素剖面。月海玄武質(zhì)撞擊玻璃(a-d)呈現(xiàn)太陽風成因水向內(nèi)部擴散保存的特征,高地斜長質(zhì)玻璃內(nèi)部水含量和氫同位素組成無顯著差異(e-h)
意義和啟示
他們的研究說明:撞擊玻璃珠儲存太陽風成因水具有普適性,但主要保存在玄武質(zhì)玻璃珠,斜長質(zhì)撞擊玻璃珠吸收太陽風成因水的效率較低,說明月壤中的撞擊玻璃珠在儲存太陽風成因水的過程中表現(xiàn)出二分特性,儲存太陽風成因水的能力和效率跟玻璃的成分相關。這些新發(fā)現(xiàn)在拓展月表水遷移和循環(huán)認識方面具有重要意義,月表巖石主要由玄武巖和斜長巖組成,當太陽風斜長質(zhì)玻璃珠作用時,由于斜長質(zhì)撞擊玻璃不具備吸收太陽風氫的能力,氫很可能會被釋放到月球空間,參與月表水循環(huán);相比,玄武巖中的月壤富含玄武質(zhì)玻璃珠,可以吸收較多的太陽風氫并保存在月壤中,為后續(xù)水資源利用提供可能,兩種玻璃一起作用維持月表水循環(huán)。他們的研究說明這些月壤中的小珠子極其有意思,其儲存太陽風成因水的機理比預期更復雜,未來還需要深入研究,為理解月表高真空、強輻射、大溫變等嚴苛環(huán)境下月球與與其他無大氣天體表面水的來源和保存機理提供新認知。
研究成果近期發(fā)表于國際學術期刊NC (He, H., Hu, S.*, Gao, L., Li, R., Hao, J., Mitchell, R.N., Lu, K., Gao, Y., Li, L., Qiu, M., Zhou, Z., Yang, W., Cai, S., Chen, Y., Jia, L., Li, Q.-L., Hui, H., Lin, Y., Li, X.H., Wu, F.Y., 2025. Lunar dichotomy in surface water storage of impact glass beads[J].?Nature Communications, 2025. DOI:10.1038/s41467-025-60388-y.). 研究受國家基金委(42241104)、博新計劃(BX20240365)、我所重點部署項目(IGGCAS-202401和202204)等資助。

何會存(博士后)