嫦娥五号月壤样品再现新发现，助力月球科研站选址和水资源提取

　　中科院地球化学研究所研究员唐红，是一位研究嫦娥五号样品的科学家。最近，由其担任共同通讯作者的论文发表在   Nature   子刊上。第一次拿到嫦娥五号样品的场景，让她和团队至今历历在目。
　　图 | 唐红（来源：唐红）
　　2021 年 11 月 5 日，团队成员曾小家到中科院国家天文台拿到了所申请的第一份月球样品。为了尽快将样品带回实验室，曾小家连夜从北京赶回。
　　嫦娥五号样品是中国首次从地外采回的样品，这些来自 38 万余公里之外的月球样品非常珍贵。11 月 6 日凌晨，在实验室等待样品的成员们也非常激动。凌晨一点三十分左右，曾小家带着月球样品顺利返回实验室。
　　＂在第一次亲眼看到并触摸到写有‘嫦娥五号月球样品’样品盒的那一刻，每个人的手都是颤抖的。样品到达实验室后，我们立即将样品放置手套箱。尽管当时已接近凌晨两点，但是每个人都情绪高涨，迫不及待地在显微镜下轮流观察，急于一窥神秘的月球样品。＂唐红表示。
　　水是未来月球科研站中不可或缺的资源，在后面的研究中，课题组发现月壤矿物中存在高含量的太阳风成因水。基于此 ，他们分析了太阳风成因水形成的影响因素，这对于未来月球科研站的选址、以及水资源的提取和利用，具有重要的应用价值。
　　（来源：Nature Communications）
　　比如，该团队发现太阳风成因水的含量，与颗粒暴露在空间环境的时间有关，即与月壤的成熟度有关。在月球中纬度和高纬度地区，成熟度越高、月壤中水的含量就越高。
　　未来，月球科研站的选址可以考虑这一因素，并通过原位月壤的综合开发，将太阳风成因水作为副产品提取出来，获得的水资源可用于月球科研站的建设、以及人类在月表活动的重要补充。
　　（来源：Nature Communications）
　　近日，相关论文以《嫦娥五号样品揭示月球矿物含水量高》（Chang’ E-5 samples reveal high water content in lunar minerals）为题发表在 Nature Communications上[1]，周传娇担任第一作者、曾小家等担任共同作者、唐红和中科院地球化学研究所研究员李雄耀担任共同通讯作者。
　　图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
　　在论文一审时，两位审稿人均建议修改后接受发表，并评价该成果：＂ 通过样品分析证明月表水合作用，这是一个明确且重要的发现，这对于未来的许多探测任务以及月球相关科学来说是有意义的。 ＂
　　在发表的当天，论文被列在的   Nature Communications   期刊＂Earth and environmental sciences＂分类下的首位，并于近日被期刊编辑部选择作为亮点文章。
　　图 | 唐红团队的成员（来源：唐红）
　　对于认识太阳系的其他无大气天体水，具有重要意义
　　据介绍，水不仅是生命起源与活动不可或缺的要素，在整个太阳系天体的形成演化中也具有重要作用。因此，地外天体水的探测一直是人们关注的问题。而月球是距离我们最近、也是被研究得最深入的地外天体，这也让月球是否存在水成为所有人最关注的问题之一。
　　最早在 1961 年，就有科学家认为在月球两极一些常年不受太阳照射的陨石坑底，可能存在水冰。但是，Apollo 时期的探测和月球样品分析结果表明，月球是个非常干燥的无水的天体。
　　直到 21 世纪新一轮月球探测，人们从＂克莱门汀＂号探测器的雷达探测中发现，月球南极某些撞击坑极可能含有水冰，这引发了人类探测月球水的热情。
　　特别是，人们从 LCROSS 撞击南极 Cabeus 的撞击坑里，检测到撞击溅射物含有水等一系列挥发分，并估算出撞击点月壤中水浓度为 5.6 ± 2.9%，这让月球水探测迎来了光辉的一页。
　　随后的遥感探测和 Apollo 月球样品的重新分析，则让人们更加深入地认识了月球水。目前的研究认为，月球水主要有三个来源：陨石/彗星撞击带来的水、月球内部的岩浆水和太阳风成因水。
　　由于月球没有大气层和全球性磁场，太阳风粒子可以不受阻碍地到达月表，并与月球表面发生各种作用。
　　据介绍，太阳风成因水是太阳风质子与月表含氧物质相互作用形成的产物，其以 OH（羟基）/H  2 O 的形式普遍存在于月壤颗粒中。对于 Apollo 样品的研究，让人们在撞击玻璃中发现了太阳风成因水的存在，并认为陨石的撞击作用和太阳风注入的共同作用，形成了撞击玻璃中太阳风成因水。
　　然而，目前学界对于太阳风成因水的认识，还主要停留在发现和证实其太阳风来源，并没有深入探讨太阳风成因水的形成过程及影响因素、赋存状态和分布规律，这使得我们很难评估太阳风成因水对月球水的贡献，同时也让太阳风如何作用于月壤演化过程的研究，受到了限制。
　　如何全面认识月表的水来源和分布？
　　基于此，唐红和同事期望能全面认识月表水来源与分布。鉴于太阳风成因水是月球水的重要来源之一，因此他们开展了一系列模拟实验和理论计算，探讨了其形成机制和保存过程。
　　而随着嫦娥五号月球样品的返回，课题组期望通过开展对于月壤颗粒中太阳风成因水的研究，更加深入地认识太阳风成因水的分布、及其对于月球水的贡献。
　　通过对于嫦娥五号月球样品的研究，再结合红外光谱、以及纳米离子探针的分析，他们检测到嫦娥五号月壤主要矿物表层里，普遍含有大量的太阳风成因水，并且含量至少为 170ppm，即每吨月壤中至少含有 170 克的太阳风成因水。
　　由于嫦娥五号月壤中这三种矿物的总含量可高达 80%，因此课题组得出矿物是月表水的主要＂储库＂。 此外，嫦娥五号样品采集于月球中纬度地区（43.06°N, 51.92°W），而此前的月球样品均采集于月球低纬度地区。
　　为此，研究人员根据嫦娥五号月壤成熟度与太阳风成因水含量的关系，分析了月表中纬度地区太阳风成因水的分布特征。
　　（来源：Nature Communications）
　　因此，在此次成果中，该团队不仅发现月壤的主要矿物中普遍含有高含量的太阳风成因水，而且估算了嫦娥五号月壤地区的水含量，借此得出太阳风成因水对于月表水具有重要贡献的这一新认识，促进了人们对于月表水含量和分布的认识，对于未来月表水资源提取利用具有重要意义。
　　另据悉，课题组还通过对比不同矿物中太阳风成因水的差异，分析了影响太阳风成因水形成和保存的影响因素，对于认识太阳系其他无大气天体水、以及早期太阳系水形成也具有重要意义。
　　（来源：Nature Communications）
　　据介绍，此次研究中，从嫦娥五号的样品分析、数据处理、论文撰写到投稿，课题组累计耗时三个多月。然而该团队很早就致力于月表颗粒中的太阳风成因水的研究，为嫦娥五号样品的分析打下了坚实的基础。
　　首先， 他们先是开展了一系列的模拟实验，对太阳风成因水的基本特征有了深入的认识。 其次，由于地球的水汽很容易对嫦娥五号样品造成污染，进而干扰实验数据。所以，样品在储存、转移和测试过程中，必须杜绝地球水的污染。
　　为此，研究人员购置了用于显微观测的手套箱，整个手套箱充入高纯氩气，水和氧气的含量保持到 1ppm 以下，以用于样品储存、样品挑选和样品分析前的制样处理。
　　同时，该团队还对红外光谱仪进行了改造，在光谱仪外部安装了手套箱，并配合空压机吹扫系统和高纯氮气联合吹扫，可在基本无地球水干扰的环境中进行红外光谱测试。
　　再次， 在样品返回之后，唐红和同事多次开会进行讨论，大家共同出谋划策，不断完善研究思路、实验方案和技术方法 。 最后一步，便是对嫦娥五号样品进行测试。
　　后续将研究嫦娥五号的钻孔样品
　　回顾全程，唐红表示解决小颗粒样品挑选和红外光谱测试难点的经历也很难忘。在研究地球样品时，一般选用毫米甚至厘米级别的颗粒进行研究。大颗粒的样品很容易固定，因此不会轻易地在样品转移和测试中发生丢失。
　　但是，月球颗粒非常小，大部分颗粒都只有几十微米甚至更小。课题组挑选出来的颗粒大小也处在 70 微米到 200 微米之间，肉眼只能微微地看见。而在前期研究中，由于无法借助粘合剂等来固定，这些小颗粒在挑选、转移和测试时很容易丢失。
　　为此，他们尝试各种方法，不断从失败中汲取教训，最终解决了这一问题。尤其是在操作过程中，需要做到手稳、心细，还要有足够的耐心和毅力。
　　唐红说：＂很有趣的是，我们实验操作人员都是女生，包括我、高级工程师于雯、工程师莫冰和博士研究生周传娇四人。大家经过不懈努力和团队配合，圆满解决了各种问题。＂
　　另一印象深刻的事情，是他们在红外光谱测试中第一次检测到月壤矿物颗粒中水的情景。尽管在前期的模拟实验中，大家已经观察到质子注入到硅酸盐矿物中会形成水。但是，在分析嫦娥五号样品时，对于月壤矿物中是否存在水，大家仍然悬着一颗心。
　　后来， 课题组通过红外光谱发现了含量较高水的信号，并初步确认这些水很有可能来自于太阳风，这和实验室的预期结果是一致的。 特别是，他们在月球橄榄石和辉石中首次发现了高含量的太阳风成因水，这在前人研究中是从未发现的。
　　对于后续，唐红表示嫦娥五号月球样品包括两种类型的样品：一种是月壤表层的铲取样品，一种是利用打钻方式获取的一定深度范围内的钻取样品。
　　此次研究里，课题组分析的是铲取样品，即研究了月表暴露在空间环境中的月壤。目前，该团队也申请到了钻孔样品。
　　后续，他们将对钻孔样品开展太阳风成因水的分析，研究被埋藏到月表不同深度月壤颗粒中的太阳风成因水，探讨月壤水的垂向变化特征。
　　另外，该团队还发现月壤颗粒中太阳风成因水的形成和保存，会受到多种因素的影响，包括月表温度变化、微陨石轰击和太阳紫外辐射等。未来，课题组将继续深入分析不同作用过程对太阳风成因水的含量和氢同位素的影响。
　　参考资料：
　　1.Zhou, C., Tang, H., Li, X. et al. Chang』E-5 samples reveal high water content in lunar minerals.  Nat Commun  13, 5336（2022）. https://doi.org/10.1038/s41467-022-33095-1