月表水演化新發(fā)現(xiàn)：鈦鐵礦顆粒的雙重使命

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摘要：

探明月表水的分布與儲存機(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。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究人員與中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)對嫦娥五號月壤中的鈦鐵礦顆粒風(fēng)化層開展了水含量、H同位素以及微觀結(jié)構(gòu)分析，首次闡明了鈦鐵礦顆粒影響月表水演化的兩個關(guān)鍵機(jī)制：一是顯著促進(jìn)太陽風(fēng)成因水的生成；二是難以維持該水的長期穩(wěn)定保存。這一發(fā)現(xiàn)為月球富鈦區(qū)域月表水的顯著日變化現(xiàn)象提供了礦物學(xué)證據(jù)，也為未來以鈦鐵礦為主要對象的月球原位資源開發(fā)提供了重要科學(xué)依據(jù)。

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）是月表水的一個重要來源。對嫦娥五號月壤樣品中硅酸鹽相（橄欖石、輝石、長石和玻璃）的氫元素（H）及其同位素（D/H）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，并發(fā)現(xiàn)各類硅酸鹽礦物表層水含量相似。另外，由于五號月壤 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)中心與中國科學(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月壤中的鈦鐵礦顆粒開展了水含量和H同位素的分析，并對其風(fēng)化層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

聯(lián)合團(tuán)隊(duì)采用納米離子探針-透射電鏡分析技術(shù)，對嫦娥五號月壤中挑選出的11個鈦鐵礦顆粒（樣品編號：CE5C1000YJFM00404和CE5C0600YJFM00503）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，在這些分析的鈦鐵礦中，未發(fā)現(xiàn)類似于硅酸鹽相物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的極高水含量（6000ppm至>10000 ppm），且其δD值也明顯偏高（圖1）。

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圖1 月壤中鈦鐵礦和硅酸鹽相的水含量與δD分布圖

在微觀結(jié)構(gòu)方面，鈦鐵礦的太空風(fēng)化層可見明顯的出晶格缺陷、囊泡以及納米金屬鐵的形成。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（圖2）。EELS分析在囊泡中探測到了He，但沒有發(fā)現(xiàn)H、OH和H?O。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（~0.12至1.95 Myr）相當(dāng)，表明它們的暴露時間基本一致。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。基于此，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浚湫纬傻乃装l(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。

圖2 鈦鐵礦顆粒太空風(fēng)化層的微觀結(jié)構(gòu)特征

聯(lián)合團(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/H?O，同時促進(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會在囊泡中富集，當(dāng)囊泡內(nèi)部氣壓超過某一臨界閾值時，反而會加速捕獲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（圖3）。

圖3 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

本研究首次闡明了鈦鐵礦月壤顆粒在月表水的分布和儲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)化層中生成的太陽風(fēng)成因水難以長期穩(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)提供了重要科學(xué)依據(jù)。

上述研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。該成果由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所共同完成，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心徐于晨副研究員和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所單麗宇博士研究生為共同第一作者，通訊作者是中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所田恒次研究員。論文信息為：徐于晨#，單麗宇#，田恒次*，郝佳龍，林楊挺，Christian W?hler，谷立新，郭壯，李瑞瑛，張?zhí)燔埃瑮钗担瑒⒀螅菩瘢a盛，賀懷宇，鄒永廖，李獻(xiàn)華. Widespread ilmenite contributions to the surface water cycle in lunar Procellarum KREEP Terrane. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-62914-4。該研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青促會人才項(xiàng)目、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研究計(jì)劃、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心攀登計(jì)劃等的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-62914-4

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