“含水量”高达41%！我国首次在月壤发现“水矿”

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最近我国科学家通过研究嫦娥五号返回的样品，首次在样品中发现了含有分子水的矿物，引起了媒体和公众的关注。

我们首先来看看科学家是如何在月壤中发现和确认含分子水的矿物的。

大家知道，月球土壤中的矿物组成十分复杂，并且在形成之后还经历了数十亿年的改造，包括陨石撞击，太阳风和宇宙射线的照射等，使得月球土壤的组成和结构明显不同于地球上的土壤。

在过去的近3年时间里面，我国科学家对嫦娥五号样品开展了大量的研究工作，参与研究的单位有数十个，成员有几百人，取得了多项重要科学发现，包括发现了嫦娥石等新矿物，也发现月壤和矿物中含有水。

但是以前发现的水，和我们通常说的，由两个氢原子和一个氧原子结合形成的水是不一样的，而是指氢离子（H+）或羟基（HO-）。它们存在于月壤的一些矿物和玻璃中，科学家把他们统称为“水”。

而这次发现的是分子水，也就是H2O，是存在在一种富含水分子和铵的未知矿物晶体中，被暂时命名为ULM-1。为确认这一新发现，科研人员采用了多种高精尖的测试分析技术。包括单晶衍射，红外光谱和拉曼光谱测量，二次离子纳米探针分析等。

通过单晶衍射和化学分析，研究人员在月壤中发现了一种新的矿物晶体，组成有点复杂，包括多种元素，如氮、氢、钾、铯、铷、镁、氯和氧8种元素【(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O】，该矿物分子式中含有多达六个结晶水，如果按照质量分数来计算的话，水分子在样品中的质量比高达41%。

在红外和拉曼光谱上，均可以清晰地观察到源于水分子和铵的特征振动峰。晶体的电荷密度可以清晰地看到水分子中的氢。

如何证明这是月球本身，而不是在地球上被污染的呢？研究人员采用最先进的纳米二次离子质谱（NanoSIMS）进行了同位素检测，数据表明，该矿物的Cl同位素组成和地球矿物显著不同，其δ37Cl值高达24‰，与月球上的矿物相符。对该矿物化学成分和形成条件的分析，进一步排除了地球污染或火箭尾气作为这种水合物的来源。

那么，这种矿物是如何形成的呢？尽管是在月球样本中首次发现，但是研究人员发现，ULM-1的晶体结构和组成与地球上近年来发现的一种稀有存在于火山口的矿物相似。在地球上，这种矿物是由热玄武岩与富含水和氨的火山气体相互作用形成的。而这次发现的ULM-1矿物晶体也是存在于有火山岩形成的月壤中，可能具有类似的形成机制。

说到这里，大家也许会好奇，为何美国获得的月壤中没有发现分子水？两者样本还有哪些重大差异呢？

我们知道，阿波罗11在1969年就返回了月球样品了，后来又连续返回了5次样品，总量达到381公斤。前苏联也分三次返回了300多克的月壤。根据当时的研究，月壤非常干燥，而且在所有样品中均未发现任何含水矿物。此后，月球样品不含水成为月球科学的基本假设，对于认识月球火山演化，月地起源等问题产生了重大影响。

尽管如此，对月球的探测并没有回避月球上是否有水问题。首先对无水论提出质疑的是遥感探测数据。1994年，美国的“克莱门汀” 探测器对月球两极进行观测，发现了氢或羟基的信号，科学家提出极区永久阴影区的月壤中可能存在水冰。到2009年，印度的“月船一号”搭载的月球矿物绘图光谱仪，发现除极区有水之外，还进一步发现月球表面很大的区域存在太阳风导致的羟基（OH-）和/或水分子信号，而且水的含量与纬度有关。同年，为了确认月球南极永久阴影区内生是否真的存在水，美国的“月球观测和传感卫星”（LCROSS）以2.5公里/秒的速度撞击了一个月球南极的永久阴影区，并且在撞击尘埃中检测到了水分子的信号，含量不超过5%。至此，科学家也大都认可月球两极的永久阴影区里面有水冰，这也成了多个国家未来月球探测的重点。

那么，为何当年没有在阿波罗月壤中发现水的迹象呢？这主要是当时的测试技术不够先进所导致的。因为月壤的水实在是太少了，一般的仪器根本检测不出来，并不说明阿波罗样品中真的一点水都没有。事实上，针对当年采集的阿波罗月球样品，人们近年来运用高灵敏度的表征技术，在部分玻璃和矿物中发现了PPM（百万分之一）量级的“水”（H+，OH-或H2O），也和嫦娥五号样品中检测得到的水得到了相互验证。从这个角度来看，尽管阿波罗样品和嫦娥五号样品来自月球的不同区域，它们都含有微量的水。未来，在嫦娥六号样品中，也可能会发现不同形式的水。

最后，我们来分析一下这项发现的意义，以及这样的分子水是否可以作为资源来利用呢？

这个新的发现意义还是比较大的。在科学上，该六水矿物的存在对于月球火山气体的组成将提供重要的约束。这些发现揭示了一个复杂的月球火山脱气历史。也就是说，月球早期的火山喷发时，是有一定量的水、氯等挥发性组分存在的，岩浆可能不是以前认为的那么干。

这一现象，也与先前中国科学家在月球矿物内部发现的原生羟基水一致，共同指向月球岩浆中是含有一定量的水的。它们都不同于月球两极永久阴影区内的冰冻水。

同时这一发现也为月球上的水和氨的来源提供了新的线索。

应用前景方面，分子水显然要比羟基和氢离子更容易利用。而且它们出现在中纬度区域的火山岩分布区，分布范围可能比较广。这为月球水资源的探索和利用提供了更多的想象空间。

当然，我们还不能过分乐观，尽管水在这个矿物中的质量百分比达到41%，但是这个水合盐矿物在月壤中的占比还是太少了。因此暂时还不能指望通过它来实施月球宇航员的用水自由。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：肖龙

审核：周炳红 中国科学院国家空间科学中心 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司