干月球，濕月球

很長(zhǎng)一段時(shí)間里，科學(xué)家都認(rèn)為月球是一個(gè)干旱無(wú)水的星球。在人類(lèi)早期的探月任務(wù)中，阿波羅號(hào)帶回的樣本大多表現(xiàn)為“無(wú)水”狀態(tài)，這與當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)高度一致——月球是在一次高溫撞擊中誕生的，過(guò)程中產(chǎn)生的高溫足以讓巖石中的水分徹底揮發(fā)殆盡。

這種觀點(diǎn)也正好符合月球大撞擊起源假說(shuō)：大約45億年前，一個(gè)火星大小的天體撞上了地球，大量物質(zhì)被拋入太空，逐漸聚合成月球。如此劇烈的撞擊導(dǎo)致幾乎整個(gè)月球處于高溫熔融的星球狀態(tài)，這種高溫會(huì)讓水等揮發(fā)性成分幾乎無(wú)法保留。因此，科學(xué)家一度相信，月球的形成過(guò)程天然決定了它應(yīng)該是干的。而且由于月球并無(wú)磁場(chǎng)和大氣，月球表面的任何水蒸氣都會(huì)被陽(yáng)光分解，氫和氧則會(huì)流失到外太空。

不過(guò)，這一看法在過(guò)去十幾年里開(kāi)始變化。

2008年，美國(guó)布朗大學(xué)的科學(xué)家在重新分析阿波羅任務(wù)樣本時(shí)，在微小的火山玻璃珠(火山噴發(fā)后巖漿迅速冷卻形成的玻璃質(zhì)微粒)中首次發(fā)現(xiàn)了微量的氫，由于這些玻璃珠是古代月球火山噴發(fā)時(shí)形成的，這就說(shuō)明月球的巖漿中是含有水分的——換句話說(shuō)，月球生來(lái)就應(yīng)該有水。

阿波羅任務(wù)中宇航員收集到的火山玻璃珠

（圖片來(lái)源：NASA）

從此以后，越來(lái)越多的直接或間接觀測(cè)證據(jù)都開(kāi)始表明月球上存在水，比如以氫氧根或氫的形式，存在于礦物晶格結(jié)構(gòu)中的含水礦物，月表受撞擊后噴濺出來(lái)的物質(zhì)中含有的水冰顆粒，以及月球極地中陽(yáng)光永遠(yuǎn)照射不到的隕石坑底部的永久陰影區(qū)內(nèi)直接以冰的形式儲(chǔ)存的水等。

NASA繪制的月球南極（左）和北極（右）永久陰影區(qū)內(nèi)可能存在的水冰分布圖

（圖片來(lái)源：NASA）

中國(guó)的嫦娥五號(hào)任務(wù)于2020年在月表采樣后也帶回來(lái)1.731kg月表土壤樣本，而根據(jù)分析，這些月壤樣本中也存在水，并且還發(fā)現(xiàn)了以分子水形式存在的水合礦物六水氯化鎂銨。這種礦物僅需加熱就能直接獲得水分，且其含水量高達(dá)41%（參考文獻(xiàn)[1]）。

月壤樣本中發(fā)現(xiàn)的富含水分子的礦物放大1000倍后的效果

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

這些研究，從根本上動(dòng)搖了“月球無(wú)水”的刻板印象。但在最近，嫦娥六號(hào)從月球背面帶回來(lái)的樣本，又一次給出了完全不同的答案——月球背面環(huán)境似乎真的是極度干旱！

科學(xué)家如何分析月巖中是否含水？

2024年執(zhí)行的嫦娥六號(hào)任務(wù)，是人類(lèi)歷史上第一次從月背采樣并帶回地球。采樣地點(diǎn)位于南極–艾特肯（South Pole–Aitken，簡(jiǎn)稱SPA）盆地中的另一個(gè)小隕石坑——阿波羅盆地。SPA是目前已知太陽(yáng)系中規(guī)模最大、最古老的撞擊結(jié)構(gòu)之一。由于這類(lèi)巨型撞擊可能穿透月殼、暴露出更深層的地幔物質(zhì)，因此SPA區(qū)域一直被認(rèn)為是研究月球內(nèi)部成分的窗口。此次采樣并被分析的樣本中，就包含了大量的地幔玄武巖碎屑。

但是，在分析這些巖石中的水分時(shí)，科學(xué)家并不是簡(jiǎn)單把它丟進(jìn)爐子里加熱，看有沒(méi)有水蒸氣冒出來(lái)。因?yàn)檫@其中的水，大多數(shù)時(shí)候并不是我們平常理解的液態(tài)水。

在月球樣本中，水分通常不是以液態(tài)水的形式存在，而是以多種微觀形式出現(xiàn)，主要包括三種：

第一種是所謂的結(jié)構(gòu)水，即氫氧根或氫離子進(jìn)入礦物晶體結(jié)構(gòu)，它們是組成礦物的成分之一，需要化學(xué)反應(yīng)才能從礦物中釋放出來(lái)；

第二種是以分子水的形式存在于一些水合礦物中，比如嫦娥五號(hào)樣本中發(fā)現(xiàn)的六水氯化鎂銨，不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)蜗蟮卣f(shuō)，這些礦物就好像是海綿，可以直接嵌入水分子，但其孔洞過(guò)于細(xì)小，其中只能吸附一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)水分子，將其加熱后可以直接釋放水分；

第三種是熔融包裹體中的水：這是一種微小的液體囊泡，在巖漿冷卻時(shí)被晶體包裹，保留了當(dāng)時(shí)的熔體成分，其中可能包含分子水，或最終形成含水玻璃或含水礦物。

在眾多月球礦物中，磷灰石（apatite）是最常被用于判斷是否含水的一種礦物。它是一種含磷的礦物，化學(xué)結(jié)構(gòu)允許少量氫氧根或氟離子進(jìn)入晶體框架，可以把水分子牢牢地鎖住。由于磷灰石在冷卻過(guò)程中形成得比較晚，比較容易保留巖漿中的揮發(fā)性成分，因此可以反映出巖漿在冷卻末期的水含量。

科學(xué)家通過(guò)質(zhì)譜儀或紅外光譜儀對(duì)磷灰石進(jìn)行原位檢測(cè)，測(cè)定其中氫氧根的濃度，再結(jié)合其在巖石中的體積分布，反推出整個(gè)母巖漿的平均含水量。

不過(guò)，這種方法有一個(gè)問(wèn)題：晚期結(jié)晶的磷灰石容易受到巖漿脫氣的影響，就像鍋里煮湯時(shí)間太長(zhǎng)，水都蒸發(fā)走了一樣。因此它反映的水含量，往往是“被煮過(guò)”之后的結(jié)果。

相比之下，另一種更為寶貴的“含水證據(jù)”是所謂的熔融包裹體（melt inclusion）。

在巖漿冷卻結(jié)晶的過(guò)程中，部分礦物會(huì)將尚未完全冷卻的熔融物質(zhì)封閉進(jìn)自身晶體結(jié)構(gòu)中，形成所謂的“熔融包裹體”。這些包裹體通常只有幾十微米大小，卻保留了當(dāng)時(shí)巖漿最初始的狀態(tài)，幾乎不受后期變質(zhì)或脫氣影響。

通過(guò)顯微取樣和高精度質(zhì)譜技術(shù)，科學(xué)家可以測(cè)出包裹體中的水含量，并結(jié)合母巖的組成與稀土元素分布，進(jìn)一步推算出這塊巖石在地底形成時(shí)的含水環(huán)境。

月球背面真的更干嗎？

在嫦娥六號(hào)帶回的樣本中，研究人員選取了多顆富含磷灰石和熔融包裹體的玄武巖碎屑，并對(duì)其中的水含量進(jìn)行了精確測(cè)定。他們的目標(biāo)，是要弄清楚：這些巖石形成時(shí)，是否從深部的月幔中攜帶了水。

這些巖石的形成來(lái)自如下流程：地幔巖漿的一部分上升，一邊上升其中的一部分就一邊結(jié)晶，最后巖漿完全冷卻形成包含磷灰石的玄武巖。

嫦娥六號(hào)玄武巖樣本中水的演化路徑示意圖。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]）

如上圖所示，這一過(guò)程可分為四個(gè)關(guān)鍵階段：首先，在深部月幔發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生源巖漿，匯聚成母巖漿后上升至近地表，并經(jīng)歷分帶結(jié)晶。在早期結(jié)晶階段，形成的橄欖石中，包裹了部分熔融包裹體，可用于分析母巖漿的原始水含量。進(jìn)入中期結(jié)晶階段，形成的輝石、斜長(zhǎng)石和鈦鐵礦，部分也可含有熔融包裹體，但水含量相對(duì)較低。最后，在晚期結(jié)晶階段形成的磷灰石最容易富集水分，但也容易受到脫氣影響，反映出巖漿末期的水逸失過(guò)程。

分析后的結(jié)果顯示，最終計(jì)算得到的月幔源區(qū)水含量，僅為1–1.5μg/g，而月球正面樣本的范圍為1-200μg/g。也就是說(shuō)，嫦娥六號(hào)得到的含水量為目前已知的最低值之一。這個(gè)結(jié)果的含義是明確的：這塊玄武巖的源頭——月球背面下方的月幔，確實(shí)非常干燥。

過(guò)去，我們已經(jīng)知道月球在表面上就非常不對(duì)稱——正面地殼薄、玄武巖覆蓋廣，背面地殼厚、布滿高地；正面富含KREEP元素，背面極度稀缺（月壤密碼系列第一篇《來(lái)自嫦娥六號(hào)的月壤樣本，揭示出月球背面的滾燙歲月》）。而現(xiàn)在，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)：這種不對(duì)稱，可能從地殼一直延續(xù)到了月幔深處。

那么，這種不對(duì)稱從何而來(lái)？科學(xué)界目前有三種主要猜想：起源遺留說(shuō)：月球在形成初期就未能將水分均勻分布，部分區(qū)域天生就更干；撞擊擾動(dòng)說(shuō)：SPA盆地這樣的巨型撞擊可能擾亂了月幔結(jié)構(gòu)，重新分布或耗散了原始水分；演化分化說(shuō)：月球內(nèi)部冷卻結(jié)晶的過(guò)程本身就造成了元素分布的傾斜，背面形成了更干燥的月幔。

目前沒(méi)有哪種說(shuō)法可以被完全證實(shí)，但嫦娥六號(hào)的樣本，為這些假設(shè)提供了第一手的數(shù)據(jù)支持。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了什么？

嫦娥六號(hào)和嫦娥五號(hào)的樣本形成了鮮明對(duì)比：嫦娥五號(hào)顯示月球正面月幔中含有較多水分，但嫦娥六號(hào)卻顯示月球背面的月幔，可能比我們此前想象得還要干。這不僅揭示了有水和無(wú)水的差異，更提示我們?cè)虑虻恼婧捅趁娲嬖诘亩中陨踔裂由斓搅嗽箩！?/p>

此外，科學(xué)家們此前估算月球總體水含量時(shí)，主要依據(jù)的是正面樣本?，F(xiàn)在看來(lái)，這些數(shù)據(jù)可能并不全面。如果背面樣本普遍都更干，那說(shuō)明我們對(duì)月球的含水量很可能高估了。

就像當(dāng)年的嫦娥五號(hào)顛覆了我們的認(rèn)知，讓我們知道月球含水一樣，嫦娥六號(hào)又為這一新觀點(diǎn)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?？茖W(xué)總是這樣，在一次次研究中不斷修正自己的結(jié)論。雖然目前對(duì)月球的研究還存在各種不確定，但我們可以肯定的是，月球不是一個(gè)枯燥的死星，而是一顆擁有波瀾壯闊故事和復(fù)雜內(nèi)核的行星殘骸。

我們還遠(yuǎn)未讀完它的全部故事。

參考文獻(xiàn)：

[1]Jin S, Hao M, Guo Z, Yin B, Ma Yuxin, Deng L, Chen Xu, Song Y, Cao C, Chai C, Wei Q, Ma Yunqi, Guo J, Chen Xiaolong (2024) Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the chang’e-5 lunar sample. Nature Astronomy, 8(9), 1127–1137. Nature Publishing Group.

[2]He H, Li L, Hu S, Gao Y, Gao L, Zhou Z, Qiu M, Zhou D, Liu H, Li R, Hao J, Hui H, Lin Y (2025) Water abundance in the lunar farside mantle. Nature, 643(8071), 366–370. Springer Science and Business Media LLC.

出品：科普中國(guó)

作者：地星引力（科普創(chuàng)作者）

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