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月球撞击玻璃珠中的太阳风来源水：嫦娥五号样品研究

第一作者及机构

该研究由Huicun He（中国科学院地质与地球物理研究所）和Jianglong Ji（中国科学院大学）领衔，联合南京大学、英国开放大学、曼彻斯特大学等15家国内外机构合作完成，2023年4月发表于《Nature Geoscience》（Volume 16, Pages 294–300）。

学术背景

科学领域：行星科学、月球地质学。
研究动机：过去二十年，月球表面水的发现引发了对其来源和储存机制的争议。尽管已有研究提出月球土壤深层存在“水化层”以维持全球水循环，但具体储库尚未明确。
关键问题：
1. 月球表面水的来源（太阳风、火山活动、彗星/小行星撞击等）仍需验证；
2. 缺乏对水储存载体的直接证据，尤其是能缓冲水动态循环的储库。
研究目标：通过嫦娥五号（CE5）返回的月球土壤样品，分析撞击玻璃珠（impact glass beads）的水含量及氢同位素组成，揭示太阳风来源水的储存机制及其对月球水循环的贡献。

研究流程与方法

1. 样品准备与表征
- 样品来源：嫦娥五号CE5C0100YJFM00103号月壤（约1克），手工分选出117颗撞击玻璃珠。
- 显微分析：
- SEM（扫描电镜）：观察玻璃珠形貌（球形/异形）、表面特征（如气泡、矿物包裹体）。
- EPMA（电子探针）：分析主要元素组成（如SiO₂、TiO₂、FeO），确认其与CE5玄武岩成分一致，排除非月海来源样品。

2. 水含量与氢同位素分析
- 仪器：NanoSIMS 50L（纳米二次离子质谱仪），空间分辨率达5 μm。
- 方法：
- 第一轮：对32颗玻璃珠的核部和边缘进行水含量（H₂O）和δD（氢同位素比值）测量。
- 第二轮：在5颗玻璃珠上设计6条剖面，分析水含量的径向分布。
- 标样校准：使用Durango磷灰石（δD=−120‰）、Kovdor磷灰石（δD=−66‰）和MORB玻璃（δD=−73‰）校正仪器背景和分馏效应。

3. 扩散模型与时间尺度估算
- 数据拟合：基于Fick第二定律，模拟水从玻璃珠边缘向内部的扩散过程。
- 参数设定：扩散系数（D=20.84 μm²/yr，360 K温度下），结合嫦娥五号着陆点温度数据（93–423 K）。

4. 全球水储量估算
- 模型假设：玻璃珠在月壤中占比3–5 vol.%，月壤厚度3–12米，推算全球储量。

主要结果

1. 水含量与氢同位素特征
- 边缘富水：玻璃珠边缘水含量高达1,909 μg/g，核部接近仪器背景（<10 μg/g）。 - **δD极端负值**：边缘δD低至−990‰（与太阳风氢同位素一致），核部δD升至+522‰（接近月球内部来源）。 - **负相关性**：水含量与δD呈显著负相关（R²>0.9），支持太阳风来源水与干燥核部的二元混合模型。

2. 扩散时间尺度
- 快速扩散：模拟显示水在玻璃珠中的扩散时间仅需1–15年（360 K下），表明太阳风水的补给效率极高。
- 动态平衡：部分剖面显示边缘水流失（如CE5#33,036），说明水可通过温度波动释放至月球外逸层。

3. 储库规模
- 全球估算：撞击玻璃珠储水量可达2.7×10¹⁴ kg，远超此前认为的月壤水储量。

结论与意义

科学价值：
1. 首次确认撞击玻璃珠为月球水循环的关键储库，解决了“水化层”载体缺失的难题。
2. 提出“太阳风注入-扩散储存-动态释放”的水循环模型，解释了月球表面水的时空变化。
应用价值：
1. 为未来月球原位水资源利用（如玻璃珠加热取水）提供理论依据；
2. 推论其他无大气天体（如水星、小行星）的撞击玻璃也可能储存太阳风来源水。

研究亮点

1. 方法创新：
   
   • 首次结合NanoSIMS剖面分析与扩散模型，量化水在玻璃珠中的迁移速率。
     
   • 开发二元混合模型，区分太阳风与内生水的贡献。
     
2. 发现新颖性：
   
   • 揭示撞击玻璃珠的“边缘富水”特征，直接证明太阳风水的扩散储存。
     
3. 跨学科影响：
   
   • 为行星表面水循环研究提供新范式，推动太阳系无大气天体的水资源探测。
     

其他有价值内容

• 对比研究：CE5玻璃珠水含量（最高2,000 μg/g）显著高于阿波罗样品中的胶结物（<600 μg/g），可能因CE5着陆区年轻（ Ga），保存更完整的水记录。
  
• 技术细节：NanoSIMS分析中采用液氮冷阱将真空度提升至1.5×10⁻¹⁰ Torr，显著降低氢背景噪声。
  

（全文完）