月壤中發現富含水分子的礦物

鋼鐵俠 2個月前 (07-20) 1873瀏覽

月球是否存在水，一直是月球科學研究與資源利用的核心議題，吸引了學術界長達數十年的關注。歷史上，阿波羅任務采集的月壤中沒有發現任何含水礦物，曾一度讓科學界認為月球是干燥的荒漠。直到近年來，一系列遙感任務在月球兩極的永久陰影區和部分月球光照區，發現了月球水存在的證據。運用高靈敏度的表征技術，人們陸續在部分阿波羅樣品中發現了PPM（百萬分之一）量級的“水”（羥基OH^-）。截至目前，返回的月壤中依然沒有發現水分子（H₂O）存在的確鑿證據。分子水在月表的存在形式也一直不為人知。

最近，中國科學院物理研究所陳小龍研究員，金士鋒副研究員、博士生郝木難等與北京科技大學郭中楠副教授，天津大學殷博昊工程師，中國科學院青海鹽湖所馬云麒研究員等合作，在嫦娥五號帶回的月球樣本中，發現了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體。這一發現標志著首次在月壤中發現了分子水，同時揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式。

通過高精度的單晶衍射和化學分析，研究人員確定了該礦物的分子式為(NH₄,K,Cs,Rb) MgCl₃·6H₂O，是一種水合礦物（圖1）。其結構中含有多達六個結晶水，水分子在樣品中的質量比高達41%（圖2）。紅外和拉曼光譜可以清晰的觀察到水分子和銨的振動峰（圖1），電荷密度分析可以分辨出水分子中的氫（圖2）。該礦物的晶體結構與地球上近年來發現的一種稀有火山口礦物相同。在地球上，該類礦物是由熱玄武巖與富含水和氨的火山氣體相互作用形成，暗示了月球水與火山活動的緊密聯系。

為了確保這一發現的準確性，研究人員進行了嚴格的化學和氯同位素（³⁷Cl/³⁵Cl）分析。納米二次離子質譜（NanoSIMS）數據表明，該礦物的Cl同位素組成和地球礦物顯著不同，其δ³⁷Cl值高達24‰，與月球上的礦物相符（圖3）。對該礦物化學成分和形成條件的分析，進一步排除了地球污染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。該六水礦物的存在對于月球火山氣體的組成形成重要的約束。基于熱力學分析，當時月球火山氣體中水的含量下限與目前地球中最為干燥的Lengai火山相當（圖4），這對于我們理解月球的演化過程具有重要意義。這些發現揭示了一個復雜的月球火山脫氣歷史。

這種水合礦物的發現還為我們揭示了月球上水分子可能存在的一種形式——水合鹽。與易揮發的水冰不同，這種水合物在月球高維度地區（嫦娥5號采樣點）非常穩定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區，也可能存在這種穩定的水合鹽，為月球資源的利用和探索提供了更為廣闊的前景。月球表面水合礦物的發現標志著對月球水和銨研究的重大突破，也為未來月球資源的開發和利用提供了新的可能性。

相關成果以Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang'e-5 lunar sample 在線發表于 Nature Astronomy 2024，詳細內容參見鏈接 https://doi.org/10.1038/s41550-024-02306-8，金士鋒副研究員和郝木難為共同第一作者，陳小龍研究員為通訊作者。探月與航天工程中心為該研究提供了月壤樣品（CE5C0400），該研究得到了中科院重點部署項目（ZDBS-SSW-JSC007-2），中科院網信專項（CAS-WX2021SF-0102）等項目的資助。