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嫦娥五号样品首次揭示了月壤矿物中存在高含量的水
来源:科技日报 地学之家        2022-09-20 15:37:55        阅读:174
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       遥感探测发现月表普遍存在水(OH/H2O),然而由于缺乏直接的样品分析证据,月表水的成因和分布一直存在争议。

       近日,中国科学院地球化学研究所科研团队针对嫦娥五号月壤样品开展了研究,通过红外光谱和纳米离子探针分析,发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水,估算出太阳风质子注入为嫦娥五号月壤贡献的水含量至少为170ppm。(ppm为百万分比浓度,通俗点说,也就是一吨月壤含水约170克,相比之下,地球上沙漠里一吨沙的含水量在十几公斤到几十公斤不等。)

       红外反射光谱(图1)分析发现嫦娥五号矿物普遍在3,200 ~ 3,800 cm-1存在一个较宽的吸收峰,表明了OH的存在。其中,在CE-PL2斜长石中发现了3,300 cm-1存在一个小的吸收峰以及1,640 cm-1存在一个较宽的吸收峰,表明了H2O的存在。纳米离子探针(NanoSIMS)分析了矿物最表层约200nm范围内的水含量和氢同位素比值,橄榄石表层水含量为916 ± 38 ~ 4483 ± 314 ppm、斜长石表层水含量为1798 ± 81 ~ 4476 ± 142 ppm、辉石表层水含量为3471 ± 166 ~ 5962 ± 335 ppm。

       矿物中水富集在表层内和高度贫D的特征,强烈指示了水的太阳风来源,并且水主要以OH的形式存在,少部分可能以H2O的形式存在。

图1 矿物水含量和氢同位素比值

       透射电镜(TEM)图像显示,橄榄石、斜长石和辉石极表层均为部分非晶化和/或完全非晶化的环带(图2),能谱分析表明这些非晶质环带成分与下层晶体一致,证明了非晶质环带的形成是太阳风注入导致的。

       结合TEM和NanoSIMS分析绘制了嫦娥五号矿物中太阳风成因水的深度剖面图,如图3所示,矿物中最表层水含量最高,非晶质环带内随深度增加水含量急速减少,向下层晶体内缓慢减少。太阳风成因水的纵向分布特征表明,太阳风成因水主要分布在非晶质环带中,少量可以扩散进入内部晶体中。

图2 嫦娥五号矿物表层显微结构的TEM图

图3 嫦娥五号矿物水含量深度剖面图

       结合嫦娥五号月壤矿物组成,本研究估算了嫦娥五号地区月壤中的太阳风成因水含量至少为170 ppm,这一数值显著高于月球内部水,因此本研究认为太阳风质子注入是嫦娥五号地区月壤中水的主要来源。

       本研究揭示了月壤矿物中高含量的太阳风成因水,评估了月表中纬度地区太阳风成因水分布情况,为未来月表水资源利用提供了重要依据,同时也为太阳系无大气天体(如水星、小行星)太阳风成因水的形成机制提供了重要参考。

       上述研究成果发表于国际权威期刊《Nature Communications》。论文第一作者为中国科学院地球化学研究所周传娇博士研究生,通讯作者为中国科学院地球化学研究所唐红副研究员和李雄耀研究员。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项(XDB 41000000)、国家自然科学基金(41931077)、中国科学院青年创新促进会(2018435)、民用航天技术预先研究(D020201)和中国科学院前沿科学重点研究计划(ZDBS-SSW-JSC007-10、QYZDY-SSW-DQC028)等的项目资助。

 

论文信息:Chuanjiao Zhou, Hong Tang, Xiongyao Li, Xiaojia Zeng, Bing Mo, Wen Yu, Yanxue Wu, Xiandi Zeng, Jianzhong Liu, Yuanyun Wen. 2022. Chang’E-5 samples reveal high water content in lunar minerals. Nature Communications.

链接:https://doi.org/10.1038/s41467-022-33095-1

 

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