水是生命之源

地球之所以獨特，在于她是太陽系唯一有海洋、湖泊、河流的星球。水是生命之源，是行星宜居的标志，因此行星是否有水是太陽系與系外生命探測的首要目标。我們所熟悉的水（H₂O），它在1個大氣壓強下，100℃時會變成水蒸汽，在0℃時會結成冰塊。更廣義上的水還包括含水礦物中的氫氧根（OH）等結構水、以及其他形式的氫（H）。這類型的水可以很穩定存在于礦物中，隻有加熱到很高的溫度，甚至熔融時，才以水分子的形式被釋放出來。這些水在地質過程中扮演着重要的角色，它能顯著降低岩石的熔化溫度，改變岩石的強度等，在很大程度上影響了地球的内部運動。地球表面的流水并不是與生俱來，而是通過岩漿活動和火山噴發，不斷将地球内部的結構水搬運到表面，并形成液态水，最終彙聚成海洋。

古人仰望天空，創造了“嫦娥奔月”的美麗故事。月宮上不僅居住着嫦娥仙子，還有吳剛、桂花樹和玉兔。神話故事與實際情況還是有很大的距離。通過對月球的科學探測，包括6次阿波羅計劃和3次月球号的采樣返回任務、後續月球環繞探測、以及我國嫦娥工程在月球正面和背面的着陸巡視探測，告訴我們月球表面不僅沒有生物，也沒有大氣，更沒有流水。

月球内部有水嗎？

月球的形成有捕獲說、分裂說、同源說、以及大撞擊等假說，其中大撞擊假說得到了月球樣品分析和月球探測的支持，成為主流假說。根據大撞擊起源假說，原始地球與一個火星大小的星子碰撞，形成了一個圍繞地球的、由高溫岩漿和氣體組成的盤。當溫度開始冷卻時，矽酸鹽等物質首先聚集形成月球（圖1），而水屬于強揮發的物質，會以氣态形式向太空逃逸而丢失。因此，這種方式誕生的月球，幾乎不含水，是一個近乎幹透了的星球。

圖1 月球起源的大撞擊假說 (引自Pahlevan and Stevenson, 2007, EPSL)

情況在2008年發生了變化，科學家們利用一種微束分析技術來研究阿波羅任務采集的火山玻璃。他們用微米（千分之一毫米）大小的離子束轟擊樣品的表面，測量産生的氫離子（H-）信号。因為每個水分子（H₂O）含有2個氫原子和1個氧原子，所以根據測定的氫含量，就能換算成水的含量。根據新的分析結果，他們估算出岩漿中的水含量高達745微克/克，這是一個相當高的值，證明月球并不貧水 。此後，對更多月球樣品的水含量分析，不同的團隊給出非常不同的結果，估算的月球内部水含量差異達兩個數量級。因此，月球内部到底是“幹”或“濕”，再次成為月球探測要解決的關鍵科學問題。同時，月球内部水含量不僅是驗證月球大碰撞假說的關鍵證據，而且對月幔的熔融和岩漿的結晶有重要影響。

造成月球内部水含量長期争議的原因之一，是阿波羅樣品和月球隕石的年齡都很老（超過30億年），樣品經曆了長期和強烈的後期改造（如小行星和彗星的撞擊、太陽風的注入等），撞擊使不同來源的樣品混雜在一起，造成分析結果很難解釋，甚至出現錯誤解釋。

嫦娥五号采集并返回了最年輕的玄武岩，樣品來源單一、地質背景清晰，從而為回答月球内部的“幹”與“濕”提供了最好的機會。同時，對于嫦娥五号樣品，我們還很想知道，這個區域的岩漿活動為什麼能持續這麼久？相比于阿波羅樣品，嫦娥五号玄武岩的年齡非常年輕，僅有20億年。岩漿活動的持續，除了噴出的觸發條件之外，或是因為内部有高含量的放射性生熱元素（U, Th），造成異常的高溫，從而導緻熔融？或是因為内部的水含量高，從而降低了源區物質的熔點，導緻熔融？但是，對嫦娥五号樣品的鉛、锶、钕同位素的分析，排除了嫦娥五号樣品源區有高含量放射性元素的可能性。我們的研究目标是通過對嫦娥五号樣品的分析，回答其源區是否富含水。

嫦娥五号給出的答案

我們借用高空間分辨的納米離子探針來分析嫦娥五号樣品的水含量和氫同位素組成。具體的分析目标是玄武岩中的岩漿包裹體和磷灰石，它們都非常微小，小的僅有幾微米（圖2）。除了分析樣品的水含量之外，我們還分析水的氫同位素組成，即氘/氫比值，氫同位素組成相當于水的“指紋”，可用來識别水的來源、示蹤岩漿的噴發和結晶過程。

圖2 嫦娥五号玄武岩中磷灰石和岩漿包裹體背散射掃描電子顯微鏡圖像。（a）合金靶中的玄武岩岩屑（顆粒号406-010，023）的全貌圖，該岩屑主要由橄榄石（Ol）、輝石（Px）、長石（Pl）和钛鐵礦（Ilm）組成，可見少量鐵橄榄石（Fa）、隕硫鐵（Tro）、尖晶石（Sp）、磷灰石（Apa）和石英（Q）。（b）、（c）和（d）分别為該岩屑的局部圖。（b）圖可見被钛鐵礦包裹的熔體包裹體（MI）。（c）和（d）顯示磷灰石主要産出于粒間區域，呈自形或半自形

包裹體是礦物在岩漿結晶過程中捕獲的岩漿樣品。不同包裹體實際上代表了岩漿在整個上升和結晶過程不同階段采集的樣本。通過對這些包裹體的分析，這可以勾畫出水在岩漿結晶過程中的演變。分析結果表明，包裹在钛鐵礦中的岩漿包裹體，氘/氫比值很低，并與水含量負相關，反映其母岩漿中的水在岩漿結晶過程發生過明顯的丢失，由于輕的同位素丢失速度快，使剩餘岩漿中的水具有重的氫同位素組成（圖3）。因此，具有氘/氫最低比值的包裹體，代表了最原始的岩漿。此外，分析得到的氘/氫最低比值，與月幔水的氫同位素組成一緻，也證明嫦娥五号的玄武岩是由月幔部分熔融形成的。

圖3 嫦娥五号玄武岩樣品中磷灰石和熔體包裹體的水含量和氫同位素組成。大部分熔體包裹體的水含量和氫同位素組成具有明顯的負相關，指示岩漿去氣過程。磷灰石明顯富集重的氫同位素，經曆過強烈的去氣，與其晚期結晶的岩相特征相符。嫦娥五号玄武岩的熔體包裹體和磷灰石水含量和氫同位素的相關性，記錄了岩漿産生到最後固化不同階段的演化過程。該過程可以劃分為三個階段，階段1：月幔部分熔融形成嫦娥五号的岩漿；階段2：岩漿侵入或溢流，被钛鐵礦捕獲；階段3：岩漿溢流到月表後發生強烈的去氣丢失導緻氫同位素分餾，最後形成磷灰石，岩漿完全固化成岩

嫦娥五号樣品的水主要以OH（羟基）的形式存在于磷灰石中。嫦娥五号樣品中的磷灰石含量很低（～0.4%），這也反映出采集到的嫦娥五号玄武岩很“幹”。玄武岩漿剛形成時含有一些水，但随着它在上升、最後噴出月表的過程中，由于壓力降低（甚至真空）和高溫，水會不斷蒸發而丢失，最終冷卻後的岩石幾乎完全去氣脫水。另外，這些磷灰石都分布在玄武岩中主要礦物（輝石、長石、钛鐵礦、橄榄石）粒間，說明它們是最晚從岩漿中結晶出來的，記錄了岩漿噴發結晶最後階段的水及其同位素組成。分析結果表明，這些磷灰石的水具有最高的氘/氫比值，指示了岩漿在上升噴出過程中，水以氫氣的形式不斷丢失，造成了殘留在岩漿中的水具有重的氫同位素組成（圖3）。

最早被捕獲在礦物中的岩漿包裹體（氘/氫比值最低），代表了最原始的岩漿，其水含量約為280微克/克。另外，根據嫦娥五号玄武岩的全岩水含量（假設主要存在于磷灰石），并基于岩漿去氣脫水過程中氫同位素變重的程度，校正全部丢失的水後，也可估算原始岩漿的水含量，結果與岩漿包裹體的測定值一緻。需要特别指出的是，這裡給出的280微克/克水含量，是原始岩漿的水含量，不是嫦娥五号月幔源區的水含量。

我們知道月海玄武岩是月幔部分熔融結晶形成的。岩石受熱發生部分熔融時，一些元素和組分偏向于進入岩漿中（稱為不相容元素），而另一些更多地留在岩石中（稱為相容元素）。水在岩石熔融中的行為跟不相容元素一樣，更傾向進入岩漿中。通過對嫦娥五号玄武岩非常細緻的礦物、微量元素和同位素分析，可以确定嫦娥五号的玄武岩漿是從月幔岩石熔融出的很少物質，再經過結晶移出大量橄榄石和輝石等不含水礦物後最終形成的。這個過程使岩漿中的水含量提高了約200倍，因此，估算出的月幔源區的水含量僅為1-5微克/克，表明嫦娥五号玄武岩的源區非常“幹”。這一結果比之前基于阿波羅月岩和月球隕石估算的月幔水含量偏低，落在月幔水含量估值的最低端（圖4）。對于這一結果，存在兩種解釋：一種可能性是嫦娥五号着陸區的月幔經過了更長時間的岩漿活動，月球内部的水通過多次的岩石熔融，進入到岩漿中，然後随着岩漿噴出月表，釋放到太空而丢失；另一種可能性是月幔的水含量非常不均一，但需要有新的機制來解釋這種差異。

圖4 月球内部的水含量随時間演化軌迹。嫦娥五号玄武岩月幔源區的水含量不超過1-5微克/克，明顯低于以前估算的月幔水含量。此外，我們的研究結果表明，月幔水含量随時間呈現降低的趨勢，可能是持續不斷的熔融帶走了月幔中原本就很少的水，或指示月幔的水含量非常不均一。

我們的研究還确證，造成月球火山活動持續異常長的原因，不是因為月幔水含量高而導緻熔點降低之故，這些新發現與此前對月球的認識有很大不同。嫦娥5号着陸區異常活躍的火山活動既不能歸因于源區富集放射性生熱元素，也不是由于源區富含水，這對未來的科學研究和月球探測提出了新的目标。。

研究成果發表于國際學術期刊Nature（胡森*，何會存，計江龍，林楊挺*，惠鶴九，Mahesh Anand，Romain Tartese，闫藝洪，郝佳龍，李瑞英，谷立新，郭倩，賀懷宇，歐陽自遠. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang'E-5. Nature, 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04107-9）。

該成果受中科院先導B（XDB 41000000）、中科院重點部署項目（ZDBS-SSW-JSC007-15）、中科院地質與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-202101，IGGCAS-201904）、基金委面上項目（41973062）、民用航天預先研究項目（D020201，D020203和D020205）和英國科學基金（#ST/P000657/1，#ST/P005225/1）共同資助。

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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