“含水量”高達(dá)41%！我國首次在月壤發(fā)現(xiàn)“水礦”

圖蟲創(chuàng)意

最近我國科學(xué)家通過研究嫦娥五號返回的樣品，首次在樣品中發(fā)現(xiàn)了含有分子水的礦物，引起了媒體和公眾的關(guān)注。

我們首先來看看科學(xué)家是如何在月壤中發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)含分子水的礦物的。

大家知道，月球土壤中的礦物組成十分復(fù)雜，并且在形成之后還經(jīng)歷了數(shù)十億年的改造，包括隕石撞擊，太陽風(fēng)和宇宙射線的照射等，使得月球土壤的組成和結(jié)構(gòu)明顯不同于地球上的土壤。

在過去的近3年時間里面，我國科學(xué)家對嫦娥五號樣品開展了大量的研究工作，參與研究的單位有數(shù)十個，成員有幾百人，取得了多項重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)了嫦娥石等新礦物，也發(fā)現(xiàn)月壤和礦物中含有水。

但是以前發(fā)現(xiàn)的水，和我們通常說的，由兩個氫原子和一個氧原子結(jié)合形成的水是不一樣的，而是指氫離子（H+）或羥基（HO-）。它們存在于月壤的一些礦物和玻璃中，科學(xué)家把他們統(tǒng)稱為“水”。

而這次發(fā)現(xiàn)的是分子水，也就是H2O，是存在在一種富含水分子和銨的未知礦物晶體中，被暫時命名為ULM-1。為確認(rèn)這一新發(fā)現(xiàn)，科研人員采用了多種高精尖的測試分析技術(shù)。包括單晶衍射，紅外光譜和拉曼光譜測量，二次離子納米探針分析等。

通過單晶衍射和化學(xué)分析，研究人員在月壤中發(fā)現(xiàn)了一種新的礦物晶體，組成有點(diǎn)復(fù)雜，包括多種元素，如氮、氫、鉀、銫、銣、鎂、氯和氧8種元素【(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O】，該礦物分子式中含有多達(dá)六個結(jié)晶水，如果按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)來計算的話，水分子在樣品中的質(zhì)量比高達(dá)41%。

在紅外和拉曼光譜上，均可以清晰地觀察到源于水分子和銨的特征振動峰。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫。

如何證明這是月球本身，而不是在地球上被污染的呢？研究人員采用最先進(jìn)的納米二次離子質(zhì)譜（NanoSIMS）進(jìn)行了同位素檢測，數(shù)據(jù)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(dá)24‰，與月球上的礦物相符。對該礦物化學(xué)成分和形成條件的分析，進(jìn)一步排除了地球污染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。

那么，這種礦物是如何形成的呢？盡管是在月球樣本中首次發(fā)現(xiàn)，但是研究人員發(fā)現(xiàn)，ULM-1的晶體結(jié)構(gòu)和組成與地球上近年來發(fā)現(xiàn)的一種稀有存在于火山口的礦物相似。在地球上，這種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的。而這次發(fā)現(xiàn)的ULM-1礦物晶體也是存在于有火山巖形成的月壤中，可能具有類似的形成機(jī)制。

說到這里，大家也許會好奇，為何美國獲得的月壤中沒有發(fā)現(xiàn)分子水？兩者樣本還有哪些重大差異呢？

我們知道，阿波羅11在1969年就返回了月球樣品了，后來又連續(xù)返回了5次樣品，總量達(dá)到381公斤。前蘇聯(lián)也分三次返回了300多克的月壤。根據(jù)當(dāng)時的研究，月壤非常干燥，而且在所有樣品中均未發(fā)現(xiàn)任何含水礦物。此后，月球樣品不含水成為月球科學(xué)的基本假設(shè)，對于認(rèn)識月球火山演化，月地起源等問題產(chǎn)生了重大影響。

盡管如此，對月球的探測并沒有回避月球上是否有水問題。首先對無水論提出質(zhì)疑的是遙感探測數(shù)據(jù)。1994年，美國的“克萊門汀” 探測器對月球兩極進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)了氫或羥基的信號，科學(xué)家提出極區(qū)永久陰影區(qū)的月壤中可能存在水冰。到2009年，印度的“月船一號”搭載的月球礦物繪圖光譜儀，發(fā)現(xiàn)除極區(qū)有水之外，還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)月球表面很大的區(qū)域存在太陽風(fēng)導(dǎo)致的羥基（OH-）和/或水分子信號，而且水的含量與緯度有關(guān)。同年，為了確認(rèn)月球南極永久陰影區(qū)內(nèi)生是否真的存在水，美國的“月球觀測和傳感衛(wèi)星”（LCROSS）以2.5公里/秒的速度撞擊了一個月球南極的永久陰影區(qū)，并且在撞擊塵埃中檢測到了水分子的信號，含量不超過5%。至此，科學(xué)家也大都認(rèn)可月球兩極的永久陰影區(qū)里面有水冰，這也成了多個國家未來月球探測的重點(diǎn)。

那么，為何當(dāng)年沒有在阿波羅月壤中發(fā)現(xiàn)水的跡象呢？這主要是當(dāng)時的測試技術(shù)不夠先進(jìn)所導(dǎo)致的。因為月壤的水實在是太少了，一般的儀器根本檢測不出來，并不說明阿波羅樣品中真的一點(diǎn)水都沒有。事實上，針對當(dāng)年采集的阿波羅月球樣品，人們近年來運(yùn)用高靈敏度的表征技術(shù)，在部分玻璃和礦物中發(fā)現(xiàn)了PPM（百萬分之一）量級的“水”（H+，OH-或H2O），也和嫦娥五號樣品中檢測得到的水得到了相互驗證。從這個角度來看，盡管阿波羅樣品和嫦娥五號樣品來自月球的不同區(qū)域，它們都含有微量的水。未來，在嫦娥六號樣品中，也可能會發(fā)現(xiàn)不同形式的水。

最后，我們來分析一下這項發(fā)現(xiàn)的意義，以及這樣的分子水是否可以作為資源來利用呢？

這個新的發(fā)現(xiàn)意義還是比較大的。在科學(xué)上，該六水礦物的存在對于月球火山氣體的組成將提供重要的約束。這些發(fā)現(xiàn)揭示了一個復(fù)雜的月球火山脫氣歷史。也就是說，月球早期的火山噴發(fā)時，是有一定量的水、氯等揮發(fā)性組分存在的，巖漿可能不是以前認(rèn)為的那么干。

這一現(xiàn)象，也與先前中國科學(xué)家在月球礦物內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的原生羥基水一致，共同指向月球巖漿中是含有一定量的水的。它們都不同于月球兩極永久陰影區(qū)內(nèi)的冰凍水。

同時這一發(fā)現(xiàn)也為月球上的水和氨的來源提供了新的線索。

應(yīng)用前景方面，分子水顯然要比羥基和氫離子更容易利用。而且它們出現(xiàn)在中緯度區(qū)域的火山巖分布區(qū)，分布范圍可能比較廣。這為月球水資源的探索和利用提供了更多的想象空間。

當(dāng)然，我們還不能過分樂觀，盡管水在這個礦物中的質(zhì)量百分比達(dá)到41%，但是這個水合鹽礦物在月壤中的占比還是太少了。因此暫時還不能指望通過它來實施月球宇航員的用水自由。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：肖龍

審核：周炳紅 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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