林红磊等−NG：全月尺度月表水的起源与空间分布获新认识

摘要：月表水的来源与空间分布特征，是揭示月球形成与演化历史的关键线索，也为月球资源利用的可行性研究奠定基础，具有重要的科学价值与应用意义。中国科学院地质地球所林杨挺团队和魏勇团队，联合上海技物所、地球化学所和中国航天科技体系与创新研究院行星科学团队，针对采集自月球背面中纬度区域的嫦娥六号月壤，开展红外光谱测量、氢含量和同位素组成深度剖面分析等多维度研究，确定其水含量和来源。结合同为中纬度采集的嫦娥五号月壤分析数据，与低纬度阿波罗样品结果对比，揭示出月球太阳风来源水的空间分布主要受控于纬度和月壤成熟度。

无论是通过样品分析、遥感探测，还是月表原位观测，月球存在水这一事实已得到充分证实 (Lin et al., Science Advances, 2022)。这里的“水”，既包括矿物颗粒中蕴含的羟基或水分子，也可能以水冰形态存在于月球极区的永久阴影区。尽管月表确有水存在，但其整体含量较低，每吨月壤中仅含几十至几百克水，这一数值比沙漠沙子的含水量还要低至少10倍。即便如此，月球水的发现仍具有重大意义。它不仅彻底改变了人类对月球形成、岩浆演化，以及月表与空间环境相互作用过程的认知，更为月球原位资源利用创造了更大可能，为后续月球探索与开发提供了关键有利条件。不过，目前学界对于月表水的具体分布情况，尚未形成统一结论，相关研究仍存在争议。

目前对月表水分布的认识主要来自于遥感光谱探测。印度“月船一号”搭载的月球矿物绘图仪（M3），首次实现月表全球红外光谱探测。它通过分析3 μm附近的光谱吸收特征判断水的存在与含量，最初结果显示水主要集中在月球高纬度地区。美国“深度撞击号”和“卡西尼号” 探测器在飞掠月球时，通过光谱观测证实低纬度地区也存在水的吸收特征，只是信号相对较弱，进一步扩展了月表水的可能分布范围。对M3全球数据的后续定量分析，因采用的热校正模型不同，得出了相互矛盾的结论。基于样品实验室光谱所构建经验热校正方法的结果显示，月表水含量与纬度相关：低纬度地区月壤中几十ppm（克/吨），极地地区则可达750 ppm。而基于热扩散理论的M3热校正模型则表明，全球月表水含量不存在显著区别。这种认知差异的根源，在于对月球非等温粗糙表面未知热特性的解读不同，进而导致对“热辐射如何影响表面反射光谱”的判断出现偏差，最终使3 μm处水的吸收特征分析结果不一致。后续的紫外光谱测量虽然也揭示了月表水合特征的非均匀分布，但这些结果同样受限于光度校正模型的准确性。本质上，对反射光谱中热辐射贡献的不同解释，是导致月表水分布认知存在分歧的核心原因。

在地球实验室中直接测量月壤样品光谱，可完全规避月面高温热辐射的干扰。1969年至1976年间，美国Apollo计划与苏联Luna任务，从南北纬30°以内的低纬度地区带回了大量月球样品。尽管阿波罗计划的采样点覆盖了一定纬度范围，但低纬度地区的月表水含量本身变化有限，这些样品难以支撑水含量分布的相关研究。直到2020年，中国嫦娥五号任务实现突破，从北纬43.06°的中纬度区域带回约1731克月壤，填补了中纬度月壤样品的空白。嫦娥六号于近期进一步突破，从月球背面南纬41.63°的另一处中纬度地区，成功带回约1935.3克月壤。这些样品得以系统评估从低纬度到中纬度地区水的空间分布与含量，同时也为探索正面与背面的水分布和来源差异，创造了前所未有的研究条件（图1）。

图1目前所有月球采样点的分布。Apollo和Luna样品均采集于月球低纬度区域，嫦娥五号和嫦娥六号样品采集于中纬度地区

研究团队在隔绝大气的手套箱内对大量的嫦娥六号月壤进行了光谱测量，并进一步利用纳米离子探针对20多个颗粒开展了高空间分辨的氢含量和氢同位素分析。结果显示，月壤样品光谱在约2.8 μm 处呈现显著的OH/H2O吸收特征，据此计算的水含量为183±34 ppm（图2）。纳米离子探针测量表明，该月壤具有非常低的氢同位素组成，这与Apollo及嫦娥五号月壤的同位素组成类似，指示月球正背面的表层水绝大部分来自于太阳风的贡献（图2）。进一步对比低纬度Apollo月壤与中纬度嫦娥月壤颗粒的氢注入剖面发现，中纬度颗粒表层氢含量更高（图3），揭示太阳风注入在正面与背面月壤颗粒所产生的水含量分布具有纬度依赖性。考虑到嫦娥五号、六号着陆点白天最高温度要比Apollo着陆点低30-40 ℃，这一温度差异可能是嫦娥月壤颗粒最表层保留更高水含量的原因。不同纬度水含量最大值反映了相应温度下的动态平衡，嫦娥五号和六号水含量剖面的最大值相似，则进一步说明这两个着陆点的太阳风注入作用相似。

图2嫦娥六号月壤样品红外光谱测试结果及单颗粒的氢同位素和水含量组成

图3不同纬度月壤颗粒表层水含量的深度剖面

尽管嫦娥五号与嫦娥六号采样纬度相近，研究进一步发现嫦娥六号月壤整体的水含量却显著高于嫦娥五号（183 ppm vs. 37 ppm）。与嫦娥五号相比，嫦娥六号月壤的近红外光谱斜率更陡，且玻璃质物质与亚微观金属铁（Fe⁰）的含量更高，表明其成熟度更高。由此可见，在排除纬度影响后，成熟度是调控月壤整体水含量的又一重要因素。结合玻璃相含水更高的特征（图2），可推断月球风化层中的玻璃质物质可能是太阳风来源水的主要宿主。

总体而言，研究结果表明纬度（温度）和月壤成熟度是控制月球风化层水含量的两个主要因素。在高纬度地区高度成熟的月壤中，水含量可能更高。该研究结果为未来的月球资源原位利用提供了重要参考。未来更高纬度的月球采样将极大地增进我们对月球表面水全球分布的理解。我国嫦娥七号任务计划在月球南极开展就位探测，其获取的观测数据将为研究更高纬度区域的水含量分布特征和来源提供重要支撑。

研究成果发表于国际地学权威期刊NG（林红磊, 常睿, 徐睿, 杨蔚, 田恒次*, 唐红, 李津宁, 郝佳龙, 单丽宇, 张晓静, 贺怀宇, 何志平, 林巍, 林杨挺*, 魏勇*. Distribution of lunar surface water dependent on latitude and regolith maturity[J].Nature Geoscience, 2025, 18(11). DOI: 10.1038/s41561-025-01819-9. ）。研究得到国家自然科学基金、中国科学院地质与地球物理研究所所重点部署和中国科学院青促会项目共同资助。

编辑 | 崔静怡

校对 | 林红磊