摘要：月表水的來源與空間分布特征，是揭示月球形成與演化歷史的關(guān)鍵線索，也為月球資源利用的可行性研究奠定基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用意義。中國科學(xué)院地質(zhì)地球所林楊挺團(tuán)隊(duì)和魏勇團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合上海技物所、地球化學(xué)所和中國航天科技體系與創(chuàng)新研究院行星科學(xué)團(tuán)隊(duì)，針對采集自月球背面中緯度區(qū)域的嫦娥六號月壤，開展紅外光譜測量、氫含量和同位素組成深度剖面分析等多維度研究，確定其水含量和來源。結(jié)合同為中緯度采集的嫦娥五號月壤分析數(shù)據(jù)，與低緯度阿波羅樣品結(jié)果對比，揭示出月球太陽風(fēng)來源水的空間分布主要受控于緯度和月壤成熟度。
無論是通過樣品分析、遙感探測，還是月表原位觀測，月球存在水這一事實(shí)已得到充分證實(shí) (Lin et al.,Science Advances,2022)。這里的“水”，既包括礦物顆粒中蘊(yùn)含的羥基或水分子，也可能以水冰形態(tài)存在于月球極區(qū)的永久陰影區(qū)。盡管月表確有水存在，但其整體含量較低，每噸月壤中僅含幾十至幾百克水，這一數(shù)值比沙漠沙子的含水量還要低至少10倍。即便如此，月球水的發(fā)現(xiàn)仍具有重大意義。它不僅徹底改變了人類對月球形成、巖漿演化，以及月表與空間環(huán)境相互作用過程的認(rèn)知，更為月球原位資源利用創(chuàng)造了更大可能，為后續(xù)月球探索與開發(fā)提供了關(guān)鍵有利條件。不過，目前學(xué)界對于月表水的具體分布情況，尚未形成統(tǒng)一結(jié)論，相關(guān)研究仍存在爭議。
目前對月表水分布的認(rèn)識主要來自于遙感光譜探測。印度“月船一號”搭載的月球礦物繪圖儀（M3），首次實(shí)現(xiàn)月表全球紅外光譜探測。它通過分析3 μm附近的光譜吸收特征判斷水的存在與含量，最初結(jié)果顯示水主要集中在月球高緯度地區(qū)。美國“深度撞擊號”和“卡西尼號” 探測器在飛掠月球時(shí)，通過光譜觀測證實(shí)低緯度地區(qū)也存在水的吸收特征，只是信號相對較弱，進(jìn)一步擴(kuò)展了月表水的可能分布范圍。對M3全球數(shù)據(jù)的后續(xù)定量分析，因采用的熱校正模型不同，得出了相互矛盾的結(jié)論。基于樣品實(shí)驗(yàn)室光譜所構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)熱校正方法的結(jié)果顯示，月表水含量與緯度相關(guān)：低緯度地區(qū)月壤中幾十ppm（克/噸），極地地區(qū)則可達(dá)750 ppm。而基于熱擴(kuò)散理論的M3熱校正模型則表明，全球月表水含量不存在顯著區(qū)別。這種認(rèn)知差異的根源，在于對月球非等溫粗糙表面未知熱特性的解讀不同，進(jìn)而導(dǎo)致對“熱輻射如何影響表面反射光譜”的判斷出現(xiàn)偏差，最終使3 μm處水的吸收特征分析結(jié)果不一致。后續(xù)的紫外光譜測量雖然也揭示了月表水合特征的非均勻分布，但這些結(jié)果同樣受限于光度校正模型的準(zhǔn)確性。本質(zhì)上，對反射光譜中熱輻射貢獻(xiàn)的不同解釋，是導(dǎo)致月表水分布認(rèn)知存在分歧的核心原因。
在地球?qū)嶒?yàn)室中直接測量月壤樣品光譜，可完全規(guī)避月面高溫?zé)彷椛涞母蓴_。1969年至 1976年間，美國Apollo計(jì)劃與蘇聯(lián)Luna任務(wù)，從南北緯30°以內(nèi)的低緯度地區(qū)帶回了大量月球樣品。盡管阿波羅計(jì)劃的采樣點(diǎn)覆蓋了一定緯度范圍，但低緯度地區(qū)的月表水含量本身變化有限，這些樣品難以支撐水含量分布的相關(guān)研究。直到2020年，中國嫦娥五號任務(wù)實(shí)現(xiàn)突破，從北緯43.06°的中緯度區(qū)域帶回約1731克月壤，填補(bǔ)了中緯度月壤樣品的空白。嫦娥六號于近期進(jìn)一步突破，從月球背面南緯41.63°的另一處中緯度地區(qū)，成功帶回約1935.3克月壤。這些樣品得以系統(tǒng)評估從低緯度到中緯度地區(qū)水的空間分布與含量，同時(shí)也為探索正面與背面的水分布和來源差異，創(chuàng)造了前所未有的研究條件（圖1）。
圖1?目前所有月球采樣點(diǎn)的分布。Apollo和Luna樣品均采集于月球低緯度區(qū)域，嫦娥五號和嫦娥六號樣品采集于中緯度地區(qū)
研究團(tuán)隊(duì)在隔絕大氣的手套箱內(nèi)對大量的嫦娥六號月壤進(jìn)行了光譜測量，并進(jìn)一步利用納米離子探針對20多個(gè)顆粒開展了高空間分辨的氫含量和氫同位素分析。結(jié)果顯示，月壤樣品光譜在約2.8 μm 處呈現(xiàn)顯著的OH/H2O吸收特征，據(jù)此計(jì)算的水含量為183±34 ppm（圖2）。納米離子探針測量表明，該月壤具有非常低的氫同位素組成，這與Apollo及嫦娥五號月壤的同位素組成類似，指示月球正背面的表層水絕大部分來自于太陽風(fēng)的貢獻(xiàn)（圖2）。進(jìn)一步對比低緯度Apollo月壤與中緯度嫦娥月壤顆粒的氫注入剖面發(fā)現(xiàn)，中緯度顆粒表層氫含量更高（圖3），揭示太陽風(fēng)注入在正面與背面月壤顆粒所產(chǎn)生的水含量分布具有緯度依賴性?？紤]到嫦娥五號、六號著陸點(diǎn)白天最高溫度要比Apollo著陸點(diǎn)低30-40 ℃，這一溫度差異可能是嫦娥月壤顆粒最表層保留更高水含量的原因。不同緯度水含量最大值反映了相應(yīng)溫度下的動(dòng)態(tài)平衡，嫦娥五號和六號水含量剖面的最大值相似，則進(jìn)一步說明這兩個(gè)著陸點(diǎn)的太陽風(fēng)注入作用相似。
圖2?嫦娥六號月壤樣品紅外光譜測試結(jié)果及單顆粒的氫同位素和水含量組成
圖3?不同緯度月壤顆粒表層水含量的深度剖面
盡管嫦娥五號與嫦娥六號采樣緯度相近，研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)嫦娥六號月壤整體的水含量卻顯著高于嫦娥五號（183 ppm vs. 37 ppm）。與嫦娥五號相比，嫦娥六號月壤的近紅外光譜斜率更陡，且玻璃質(zhì)物質(zhì)與亞微觀金屬鐵（Fe?）的含量更高，表明其成熟度更高。由此可見，在排除緯度影響后，成熟度是調(diào)控月壤整體水含量的又一重要因素。結(jié)合玻璃相含水更高的特征（圖2），可推斷月球風(fēng)化層中的玻璃質(zhì)物質(zhì)可能是太陽風(fēng)來源水的主要宿主。
總體而言，研究結(jié)果表明緯度（溫度）和月壤成熟度是控制月球風(fēng)化層水含量的兩個(gè)主要因素。在高緯度地區(qū)高度成熟的月壤中，水含量可能更高。該研究結(jié)果為未來的月球資源原位利用提供了重要參考。未來更高緯度的月球采樣將極大地增進(jìn)我們對月球表面水全球分布的理解。
研究成果發(fā)表于國際地學(xué)權(quán)威期刊NG（林紅磊,常睿,徐睿,楊蔚,田恒次*,唐紅,李津?qū)?郝佳龍,單麗宇,張曉靜,賀懷宇,何志平,林巍,林楊挺*,魏勇*. Distribution of lunar surface water dependent on latitude and regolith maturity[J].?Nature Geoscience,2025,18(11). DOI:?10.1038/s41561-025-01819-9. 研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所所重點(diǎn)部署和中國科學(xué)院青促會(huì)項(xiàng)目共同資助。我國嫦娥七號任務(wù)計(jì)劃在月球南極開展就位探測，其獲取的觀測數(shù)據(jù)將為研究更高緯度區(qū)域的水含量分布特征和來源提供重要支撐。