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  • 地化所在嫦娥五號月壤礦物中首次發現存在高含量的水

    地球化學研究所 2022-09-13

      遙感探測發現月表普遍存在水(OH/H2O),然而由于缺乏直接的樣品分析證據,月表水的成因和分布一直存在爭議。近日,中國科學院比較行星學卓越創新中心成員、中國科學院地球化學研究所唐紅、李雄耀團隊針對嫦娥五號月壤樣品開展了研究,通過紅外光譜和納米離子探針分析,發現嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風成因水,估算出太陽風質子注入為嫦娥五號月壤貢獻的水含量至少為170 ppm。結合透射電鏡與能譜分析,揭示了太陽風成因水的形成和保存主要受礦物的暴露時間、晶體結構和成分等影響。該研究證實了月表礦物是水的重要“儲庫”,為月表中緯度地區水的分布提供了重要參考。

      Cassini、Deep Impact和 Chandrayaan-1任務搭載的紅外光譜儀均探測到月表廣泛分布的太陽風成因水,對Apollo樣品的分析僅發現膠結質玻璃、火山玻璃和斜長石中的水與太陽風來源有關。但目前對月表不同礦物中太陽風成因水的形成和保存特征認識不足,還需要結合月球樣品開展深入分析。

      中國嫦娥五號任務在月球風暴洋東北部(43.06°N, 51.92°W)采集了1.731 kg月壤樣品,該采樣點緯度高于以往Apollo和Luna任務的采樣點。此外,同位素定年結果表明嫦娥五號樣品年齡約為20億年,是目前獲得的最年輕的月球樣品。相比于Apollo樣品,嫦娥五號樣品采樣位置和形成年齡獨特,為探究月表水的含量和分布提供了全新的窗口。輝石、斜長石和橄欖石作為嫦娥五號月壤中的主要組成物質,是研究太陽風成因水儲量的最佳載體。本研究針對嫦娥五號月壤樣品中的輝石、橄欖石和斜長石礦物開展研究,分析了不同礦物中水的成因、含量與賦存狀態,由此評估了嫦娥五號月壤的水含量以及月表中緯度地區的水分布。

     

      嫦娥五號礦物的水含量與氫同位素比值

      紅外反射光譜(圖1)分析發現嫦娥五號礦物普遍在3,200 ~ 3,800 cm-1存在一個較寬的吸收峰,表明了OH的存在。其中,在CE-PL2斜長石中發現了3,300 cm-1存在一個小的吸收峰以及1,640 cm-1存在一個較寬的吸收峰,表明了H2O的存在?;诘厍驑悠芳t外反射光譜校正確定了嫦娥五號礦物中的整體水含量,其中橄欖石(CE-OL1、CE-OL2、CE-OL3)的水含量為152 ± 14 ~311 ± 30 ppm、斜長石(CE-PL1、CE-PL2、CE-PL3)的水含量為231 ± 16 ~ 385 ± 27 ppm、輝石(CE-PY1、CE-PY2)的水含量為134 ± 19 ~ 199 ± 28 ppm。納米離子探針(NanoSIMS)分析了礦物最表層約200nm范圍內的水含量和氫同位素比值,橄欖石表層水含量為916 ± 38 ~ 4483 ± 314 ppm、斜長石表層水含量為1798 ± 81 ~ 4476 ± 142 ppm、輝石表層水含量為3471 ± 166 ~ 5962 ± 335 ppm。氫同位素分析顯示這些水顯著富H貧D的特征(δD = –773 ± 188 ~ –945 ± 384 ‰),接近太陽風的氫同位素比值(δD ≈ –1,000 ‰)。紅外反射光譜和NanoSIMS分析得到的水含量差異主要歸因于測試深度的差異,指示了礦物中的水主要分布在極表層內。礦物中水富集在表層內和高度貧D的特征,強烈指示了水的太陽風來源,并且水主要以OH的形式存在,少部分可能以H2O的形式存在。

     

    圖1 礦物水含量和氫同位素比值

     

      礦物極表層的結構特征與太陽風成因水分布特征

      透射電鏡(TEM)圖像顯示,橄欖石、斜長石和輝石極表層均為部分非晶化和/或完全非晶化的環帶(圖2),能譜分析表明這些非晶質環帶成分與下層晶體一致,證明了非晶質環帶的形成是太陽風注入導致的。非晶質環帶厚度主要在40~100 nm范圍內,而水含量最高的斜長石(CE-PL1)與其他樣品顯著不同,其表層存在一個厚度約100 nm的完全非晶化環帶,下部為厚度約400nm的部分非晶化環帶。結合TEM和NanoSIMS分析繪制了嫦娥五號礦物中太陽風成因水的深度剖面圖,如圖3所示,礦物中最表層水含量最高,非晶質環帶內隨深度增加水含量急速減少,向下層晶體內緩慢減少。太陽風成因水的縱向分布特征表明,太陽風成因水主要分布在非晶質環帶中,少量可以擴散進入內部晶體中。

     

    圖2 嫦娥五號礦物表層顯微結構的TEM圖

     

    圖3 嫦娥五號礦物水含量深度剖面圖

     

      太陽風成因水形成的主要影響因素

      月表的翻騰作用導致月壤顆粒暴露在太陽風中的時間不同,即礦物中注入的太陽風質子總量不同,從而導致太陽風成因水的含量不同。太陽風粒子注入會造成礦物表面結構破壞,因此環帶的非晶化程度可以評估礦物的暴露時間。對比表層微觀結構和水含量分析結果發現,礦物表層水含量與非晶質環帶的厚度和非晶化程度總體上呈正相關,同時與下層晶體中的輻射徑跡密度趨勢一致,指示了礦物的太陽風暴露時間是影響太陽風成因水含量最主要的因素。然而,CE-OL1橄欖石樣品盡管水含量最高,但非晶化程度和輻射徑跡密度低,這是由于該樣品相對于其它橄欖石Mg含量更高,在相同的暴露時間下晶體結構相對難以破壞。而本研究中的斜長石樣品化學成分相似,其中CE-PL1相對其他斜長石非晶化程度和水含量明顯更高,主要是受太陽風質子注入的晶面方向不同所導致的。

     

      對月表太陽風成因水分布的啟示

      結合嫦娥五號月壤礦物組成,本研究估算了嫦娥五號地區月壤中的太陽風成因水含量至少為170 ppm,這一數值顯著高于月球內部水,因此本研究認為太陽風質子注入是嫦娥五號地區月壤中水的主要來源。此外,嫦娥五號月壤成熟度分析指示了其相對不成熟的特征,考慮到遙感探測發現的月表中緯度地區太陽風成因水與月壤成熟度正相關,本研究表明在月表中緯度地區,如風暴洋北部和雨海盆地,其月壤成熟度與嫦娥五號地區相似,可能存在近似含量的太陽風成因水;而風暴洋西北側的高地地區月壤相對成熟,該地區月壤中可能存在更高含量的太陽風成因水。本研究揭示了月壤礦物中高含量的太陽風成因水,評估了月表中緯度地區太陽風成因水分布情況,為未來月表水資源利用提供了重要依據,同時也為太陽系無大氣天體(如水星、小行星)太陽風成因水的形成機制提供了重要參考。

     

      上述研究成果發表于國際權威期刊Nature Communications。論文第一作者為中國科學院地球化學研究所周傳嬌博士研究生,通訊作者為中國科學院地球化學研究所唐紅副研究員和李雄耀研究員。該研究得到中國科學院戰略性先導科技專項(XDB 41000000)、國家自然科學基金(41931077)、中國科學院青年創新促進會(2018435)、民用航天技術預先研究(D020201)和中國科學院前沿科學重點研究計劃(ZDBS-SSW-JSC007-10、QYZDY-SSW-DQC028)等的項目資助。

     

      論文信息:Chuanjiao Zhou, Hong Tang, Xiongyao Li, Xiaojia Zeng, Bing Mo, Wen Yu, Yanxue Wu, Xiandi Zeng, Jianzhong Liu, Yuanyun Wen. 2022. Chang’E-5 samples reveal high water content in lunar minerals. Nature Communications.

      論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-33095-1

     

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