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探明月表水的分布與儲(chǔ)存機(jī)制，是理解月表物質(zhì)演化、資源分布乃至未來利用的基石。遙感光譜觀測和月壤樣品分析均表明，太陽風(fēng)注入的氫（H）是月表水的一個(gè)重要來源。嫦娥五號(hào)月壤樣品中硅酸鹽相（橄欖石、輝石、長石和玻璃）H及其同位素（D/H）的分析顯示，太陽風(fēng)來源H在這些顆粒的太空風(fēng)化層中富集，且各類硅酸鹽礦物表層水含量相似。另外，由于五號(hào)月壤來源緯度高，它的水含量明顯高于低緯度的阿波羅樣品。然而，近期的遙感光譜研究顯示，月表水含量的分布和變化很可能與月表鈦含量也相關(guān)：低鈦區(qū)域的含水量通常高于高鈦月海玄武巖區(qū)域，且富鈦區(qū)域的OH/H₂O表現(xiàn)出更為顯著的日變化特征。但也有研究指出，在部分月海區(qū)域，水含量異常與鈦含量并無直接關(guān)聯(lián)。

針對上述爭議，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)對申請到的嫦娥五號(hào)月壤中的鈦鐵礦顆粒開展了水含量和H同位素分析，并對其風(fēng)化層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

研究團(tuán)隊(duì)采用納米離子探針-透射電鏡分析技術(shù)，對嫦娥五號(hào)月壤中挑選出的11個(gè)鈦鐵礦顆粒進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示，鈦鐵礦顆粒表層約100 nm的風(fēng)化層中水含量為730-3700 ppm，δD值為-884~-482‰，指示顆粒表層的水主要來源于太陽風(fēng)注入。然而，在這些被分析的鈦鐵礦中，研究未發(fā)現(xiàn)其類似于硅酸鹽相物質(zhì)中的極高水含量（6000ppm至>10000 ppm），且δD值也明顯偏高。

在微觀結(jié)構(gòu)方面，鈦鐵礦太空風(fēng)化層可見明顯的出晶格缺陷、囊泡以及納米金屬鐵。值得注意的是，鈦鐵礦風(fēng)化層中的囊泡結(jié)構(gòu)發(fā)育程度顯著高于硅酸鹽礦物。EELS分析在囊泡中探測到了He，但沒有發(fā)現(xiàn)H、OH和H₂O。此外，基于太陽耀斑徑跡密度，估算的鈦鐵礦暴露年齡約為0.03至1.57 Myr，與硅酸鹽礦物的暴露年齡（約0.12至1.95 Myr）相當(dāng)，表明它們的暴露時(shí)間基本一致。因此，鈦鐵礦風(fēng)化層中相對較低的水含量和較高的δD值并非由暴露時(shí)間差異導(dǎo)致。結(jié)合前人的離子注入實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在相同D離子注入條件下，鈦鐵礦表層可達(dá)到與硅酸鹽相近的D含量?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)提出，鈦鐵礦顆粒表層在太陽風(fēng)輻照下能夠形成與硅酸鹽相相當(dāng)?shù)乃?，但其形成的水更易發(fā)生擴(kuò)散丟失，從而導(dǎo)致鈦鐵礦表層保存的水含量偏低。這一機(jī)制也與鈦鐵礦風(fēng)化層中囊泡結(jié)構(gòu)更為發(fā)育的微觀特征相吻合。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出，鈦鐵礦和硅酸鹽礦物在水含量和H同位素組成上的差異很可能與其晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。鈦鐵礦中的Fe-O和Ti-O鍵能低于硅酸鹽礦物中的Si-O鍵，使其更容易與太陽風(fēng)注入的H發(fā)生反應(yīng)形成OH/H₂O，同時(shí)促進(jìn)納米金屬鐵的形成。月壤顆粒風(fēng)化層中廣泛發(fā)育的囊泡結(jié)構(gòu)是太陽風(fēng)輻照作用的另一重要微觀結(jié)構(gòu)特征。太陽風(fēng)注入的H和He會(huì)在囊泡中富集，當(dāng)囊泡內(nèi)部氣壓超過某一臨界閾值時(shí)，反而會(huì)加速捕獲H的逃逸。此外，月表頻繁的溫度變化、微隕石撞擊以及太陽風(fēng)濺射等過程，也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)鈦鐵礦中生成的水的丟失，導(dǎo)致其難以穩(wěn)定保存。

該研究首次闡明了鈦鐵礦月壤顆粒在月表水的分布和儲(chǔ)存中扮演的雙重作用。一方面，鈦鐵礦能夠通過與太陽風(fēng)的高效相互作用，促進(jìn)太陽風(fēng)H向水的轉(zhuǎn)化；另一方面，受其晶體結(jié)構(gòu)特性限制，鈦鐵礦風(fēng)化層中生成的水難以長期穩(wěn)定保存。該發(fā)現(xiàn)不僅為解釋遙感觀測中月球富鈦區(qū)域水的顯著日變化現(xiàn)象提供了可能的礦物學(xué)機(jī)制，同時(shí)也為未來以鈦鐵礦為主要對象的月球原位資源開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

相關(guān)研究成果以Widespread ilmenite contributions to the surface water cycle in lunar Procellarum KREEP Terrane為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研究計(jì)劃、中國科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

月壤中鈦鐵礦和硅酸鹽相的水含量與δD分布圖

鈦鐵礦顆粒太空風(fēng)化層的微觀結(jié)構(gòu)特征

鈦鐵礦和硅酸鹽礦物太空風(fēng)化層中太陽風(fēng)H的注入、遷移與逸出示意圖