我國科學家首次在月壤中發現富含水分子的礦物

記者7月24日從中國科學院物理研究所獲悉，我國科學家在嫦娥五號帶回的月球樣本中，發現了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1。這標誌著科學家首次在返回的月壤中發現了分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式。相關研究成果在線發表在《自然-天文學》（Nature Astronomy）上。 

此前返回月壤中未發現水分子存在證據

月球上是否存在水，對於月球演化研究和資源開發至關重要。對1969年至1972年採集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發現任何含水礦物。此後，月球不含水成為月球科學的基本假設，這對認識月球火山演化、月地起源等問題產生了重要影響。

1994年，研究人員通過克雷門汀探測器對月球兩極進行觀測，提出極區永久陰影區的月壤中可能存在水冰。2009年，月船一號搭載的月球礦物繪圖光譜儀發現，月球表面存在太陽風導致的羥基或水分子信號。同年，月球觀測和傳感衛星以2.5公里/秒的速度撞擊了月球永久陰影區，而對撞擊塵埃的遙感測量顯示了水的信號。近年來，遙感數據表明月球光照區有水分子存在的跡象。針對當年採集的阿波羅月球樣品，科學家運用高靈敏度的表徵技術，在部分玻璃和礦物中發現了百萬分之一量級的「水」（H+、OH–或H2O），但沒有水分子存在的確鑿證據。

水分子在礦物樣品中的質量比高達41%

我國嫦娥5號採集的月壤樣品屬於最年輕的玄武岩，是迄今為止緯度最高的月球樣品，為月球水的研究提供了新機遇。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心科研人員聯合北京科技大學、天津大學、中國科學院青海鹽湖研究所、鄭州大學等單位的科研人員，在嫦娥五號帶回的月球樣本中，發現了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1。這標誌著科學家首次在返回的月壤中發現了分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式。

ULM-1是如何被發現的？中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心副研究員金士鋒說，科研人員在1.5克細如塵埃的月壤中篩選了數千個晶體顆粒，絕大多數是已知礦物。ULM-1晶粒大小和月壤里大部分顆粒大小差不多，直徑僅有零點幾毫米。科研人員在挑選樣品時發現， ULM-1質地非常軟且外觀透明，猜測其中含有水。

研究基於單晶衍射和化學分析發現，這些月球水和銨以一種成分為NH4MgCl3·6H2O的水合礦物形式出現。該礦物分子式中含有多達六個結晶水，水分子在樣品中的質量比高達41%。紅外光譜和拉曼光譜上均可以清晰地觀察到源於水分子和銨的特徵振動峰。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫。

ULM-1的晶體結構和組成與地球上近年來發現的一種稀有火山口礦物相似。地球上，該礦物是由熱玄武岩與富含水和氨的火山氣體相互作用形成。這為月球上的水和氨的來源提供了新線索。

「我們認為，ULM-1是月火山噴發的產物，其中的水是月球本身的水。」金士鋒說，目前認為月球「水」的來源主要有幾種可能：一是太陽風粒子與月表物質相互作用產生的羥基物質；二是撞擊月球的彗星或隕石帶來的水和含羥基物質；三是月球原生水。科研人員推測，幾十億年前，月球火山噴發時，噴出的水蒸氣、氨、氯化氫等氣體和月壤反應，形成了ULM-1。

ULM-1的照片和成分組成。a. CE5土壤樣本的照片，b.ULM-1單晶照片，c. EDS光譜，d. EPMA光譜，e.拉曼光譜，f. IR光譜。中國科學院物理研究所供圖

ULM-1的發現有望助力月球資源開發

為了確保這一發現的準確性，這項研究進行了嚴格的化學和氯同位素分析。納米二次離子質譜數據表明，該礦物的氯同位素組成和地球礦物顯著不同，與月球上的礦物相符。研究人員對該礦物化學成分和形成條件進行分析，進一步排除了地球汙染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。

水合礦物ULM-1的存在為月球火山氣體的組成給出了重要的約束。熱力學分析顯示，當時月球火山氣體中水的含量下限與目前地球中最為乾燥的倫蓋火山相當。這揭示了複雜的月球火山脫氣歷史，對探討月球的演化過程具有重要意義。

ULM-1屬於水合鹽，它的發現揭示了月球上水分子可能以水合鹽的形式存在。金士鋒說，月球上高溫真空的環境，使液態水和水冰很難存在。與易揮發的水冰不同，這種水合物在月球高緯度地區（嫦娥5號采樣點）非常穩定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區，也可能存在穩定的水合鹽。這為未來月球資源的開發和利用提供了新的可能性。

水是生命的源泉。金士鋒說，如果未來人類要在月球上建設基地，只要將ULM-1晶體加熱到幾十度，就可以把水蒸氣收集起來。作為植物的肥料，銨也很具利用價值。

同時，ULM-1和火山成因有相關性，可以指導人們在月球上尋找該礦物的富集區域，進行資源探礦。「ULM-1在低於50攝氏度時非常穩定，所以在月球高緯度地區和火山口，可以嘗試尋找水的信號。」

編輯 張牽

校對 張彥君