隨著探測(cè)能力的提升，太陽系中越來越多的無大氣天體均被發(fā)現(xiàn)表面可能存在水（廣義水包括H、OH和H2O），如灶神星、水星、月球（圖1）。這些天體表面探測(cè)到的水含量雖遠(yuǎn)不如地球，但備受關(guān)注。

月球是無大氣天體的典型代表，探測(cè)次數(shù)最多，對(duì)其表面水分布和含量的認(rèn)識(shí)也最全面?？巳R門汀探測(cè)器、月球勘探者、月船一號(hào)、月球南極撞擊實(shí)驗(yàn)等探測(cè)任務(wù)對(duì)月表水的含量和分布開展了比較全面的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)月表水存在如下典型特征：月表水呈現(xiàn)明顯的緯度差異，高緯度地區(qū)明顯比低緯度的水含量高，極區(qū)可能存在水冰（Clark, 2009；Sunshine et al., 2009）；月表水的含量呈現(xiàn)與月球的晝夜變化相關(guān)的特性，相同位置在晨昏時(shí)刻的水含量明顯比中午時(shí)刻高（Sunshine et al., 2009；Wohler et al., 2017）；月表水的含量?jī)H為10-1000 ppm（Clark，2009），局部有比較高的區(qū)域（Li and Milliken，2017)。這些特征說明月表雖然有水，但含量低、且動(dòng)態(tài)變化，暗示月表水可能隨時(shí)間會(huì)發(fā)生遷移?！霸虑虼髿馀c塵埃環(huán)境”探測(cè)任務(wù)探測(cè)到月球空間環(huán)境中的水分子逃逸，且逃逸的時(shí)間與流星雨事件相關(guān)，但月球表面輸入水量明顯小于月球空間的水逃逸量，因此推測(cè)流星雨撞擊月球時(shí)把月壤中儲(chǔ)存的一部分水蒸發(fā)到月球空間導(dǎo)致逃逸，進(jìn)而提出了月表水循環(huán)（Lunar surface water cycle）猜想（Benna et al., 2019）。這一猜想提出，月表10厘米到3米區(qū)域可能有一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)水層（圖2）。

然而，現(xiàn)有研究的任何一種礦物或組分，如火山玻璃（Saal et al., 2008）、玄武巖（Hu et al., 2021）、凝結(jié)集塊巖（Liu et al., 2012）、細(xì)粒月壤（Xu et al., 2022；Zhou et al., 2022）等，均不滿足月表水循猜想的預(yù)期，這或歸因于月表水循環(huán)猜想不成立、月壤中存在未被發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)水物質(zhì)。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生何會(huì)存與導(dǎo)師、研究員胡森，聯(lián)合地質(zhì)地球所月球樣品研究團(tuán)隊(duì)、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)以及英國(guó)的科研人員，為了厘清月表水循環(huán)模型的真?zhèn)危崂砹饲叭斯ぷ鞯倪M(jìn)展和問題，推測(cè)撞擊玻璃珠可能是驗(yàn)證月表水循環(huán)猜想的關(guān)鍵，這歸因于：撞擊玻璃因其非晶特性，具備儲(chǔ)水能力；水在玻璃中的擴(kuò)散速度快，使撞擊玻璃同時(shí)具備排水能力；月壤中普遍存在撞擊玻璃珠，含量一般為3-5vol%，具備儲(chǔ)存少量水的潛質(zhì)。研究通過嫦娥五號(hào)返回樣品中撞擊玻璃珠微區(qū)水含量與氫同位素組成研究，發(fā)現(xiàn)月球撞擊玻璃珠的水含量可達(dá)約2000 ppm，水含量呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)散環(huán)帶特征，邊部水含量高，往核部逐漸降低，氫同位素組成（δD）與水含量呈現(xiàn)相反特征（圖3）。根據(jù)水含量與氫同位素的相關(guān)性，特別是富水玻璃具備與太陽風(fēng)相同的氫同位素組成，結(jié)合去氣模擬與兩端元混合計(jì)算（圖4），研究提出嫦娥五號(hào)月壤撞擊玻璃珠的水是撞擊作用形成玻璃珠后，太陽風(fēng)成因水通過擴(kuò)散方式進(jìn)入到玻璃珠內(nèi)部，并保存下來（圖5）。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)有些玻璃珠甚至后期經(jīng)歷過一定程度的撞擊或加熱事件，導(dǎo)致水含量剖面疊加了一次去氣過程（圖3e、圖5）。

研究表明，撞擊玻璃珠是儲(chǔ)存太陽風(fēng)成因水的重要儲(chǔ)庫。這些玻璃珠具備維持月表水循環(huán)的能力和潛質(zhì)。根據(jù)撞擊玻璃珠的含水量和模式豐度，研究估算撞擊玻璃珠在嫦娥五號(hào)月壤全巖的水含量貢獻(xiàn)為4-78 ppm，結(jié)合月球全球尺度月壤厚度的研究成果，估算月壤的儲(chǔ)水量最高可達(dá)2.7×1014 kg，比地球四大洋的水儲(chǔ)量（～1×1021 kg）低。該研究對(duì)剖析灶神星、水星等其他無大氣天體上低緯度地區(qū)水的來源和成因具有重要啟示。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Geoscience上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、地質(zhì)地球所重點(diǎn)自主部署項(xiàng)目等的支持。

論文鏈接

圖1.灶神星、水星和月球表面水的分布特征。（a）黎明號(hào)獲得的灶神星全球性氫含量分布特征（Prettyman et al. 2012）；（b）信使號(hào)探測(cè)任務(wù)獲得的水星極區(qū)及高緯度地區(qū)的氫含量分布特征（Lawrence et al., 2013）；（c）月船一號(hào)探測(cè)任務(wù)獲得月球表面的羥基（OH）或水分子（H2O）分布特征（Pieters et al., 2009）。

圖2.月表水循環(huán)的示意圖（Benna et al., 2019）

圖3.嫦娥五號(hào)撞擊玻璃珠（CE5#33, 036）水含量和氫同位素剖面。a為CE5撞擊玻璃珠的光學(xué)圖像，b-c為剖面1分析結(jié)果，e-f為剖面2分析結(jié)果（剖面2與剖面1垂直如d所示）。b圖表現(xiàn)出水向內(nèi)部擴(kuò)散的特征，c、f圖通過氫同位素組成示蹤擴(kuò)散水為太陽風(fēng)成因（極端貧氘），e圖在擴(kuò)散的基礎(chǔ)上記錄了水釋放的信息。

圖4.嫦娥五號(hào)月壤中撞擊玻璃珠水含量與氫同位素的負(fù)相關(guān)性。撞擊玻璃珠的水含量和氫同位素可以用二元混合模型進(jìn)行約束（紅色實(shí)線），兩個(gè)端元分別為太陽風(fēng)成因水（δD = -990‰，H2O=2000 ppm）和玻璃珠內(nèi)生水（δD = 500‰，H2O0=5-50 ppm）。同時(shí)模擬了H2去氣（棕色實(shí)線），去氣模型并不能實(shí)現(xiàn)玻璃珠中觀察到的氫同位素組成。

圖5.撞擊玻璃珠參與月表水循環(huán)模式圖。Stage 1：撞擊玻璃珠的形成，該過程伴隨著強(qiáng)烈的沖擊，形成的玻璃珠均勻干凈，幾乎失去了其所有的揮發(fā)性成分。Stage 2：太陽風(fēng)質(zhì)子注入顆粒表面形成水合分子，而后水向玻璃珠內(nèi)部擴(kuò)散。Stage 3：攜帶水的玻璃珠在月表“翻耕”作用下向月壤深處轉(zhuǎn)移，形成月壤中的“水庫”。表層新形成的玻璃珠繼續(xù)接受太陽風(fēng)成因水的擴(kuò)散，同時(shí)在溫度升高的條件下（光照或隕石撞擊），水被釋放到月球外逸層。