Apollo時(shí)期認(rèn)為月球是非常干燥的天體，直到21世紀(jì)對(duì)月球探測(cè)數(shù)據(jù)和月球樣品進(jìn)行重新分析才明確證實(shí)了月球水的存在。Cassini，Chandrayaan-1和Deep Impact這3次探測(cè)任務(wù)上搭載的紅外光譜儀均發(fā)現(xiàn)了幾乎整個(gè)月球表面都出現(xiàn)有2.8μm和3μm的OH/H2O吸收信號(hào)，其主要來(lái)源于太陽(yáng)風(fēng)的注入作用。對(duì)Apollo月球樣品中水的氫同位素進(jìn)行分析也發(fā)現(xiàn)有不少與太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源有關(guān)的膠結(jié)質(zhì)玻璃、火山玻璃和斜長(zhǎng)石顆粒。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了模擬太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子注入實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子與含氧物質(zhì)相互作用生成水這一過(guò)程。但太陽(yáng)風(fēng)成因水的具體形成機(jī)制、特征和影響因素等重要問題尚不明確，還需要進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。針對(duì)月表不同物相顆粒受太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子注入所形成水的特征差異，中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所副研究員、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員唐紅及其團(tuán)隊(duì)開展了地面模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了相同實(shí)驗(yàn)條件下H+注入到橄欖石、斜方輝石、單斜輝石、斜長(zhǎng)石和火山玻璃樣品后生成水的含量和賦存狀態(tài)，由此推斷了月表太陽(yáng)風(fēng)成因水的主要賦存相和紅外吸收特征，并與月球紅外探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。 太陽(yáng)風(fēng)注入模擬實(shí)驗(yàn) 太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子注入過(guò)程的模擬是利用中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)中心搭建的太陽(yáng)風(fēng)注入過(guò)程模擬和分析平臺(tái)來(lái)開展實(shí)驗(yàn)的。該平臺(tái)中的離子注入機(jī)包括離子源、加速器、磁分析器、樣品腔和控制系統(tǒng)這幾個(gè)部分，可模擬太陽(yáng)風(fēng)H+、D+和He+的注入過(guò)程。本研究中實(shí)驗(yàn)樣品來(lái)自地球樣品，包括橄欖石（Fo=89–100）、斜方輝石（En=74–75）、單斜輝石（Wo=49–50）、斜長(zhǎng)石（An =50–53）和火山玻璃，樣品均制備成雙面拋光的薄片。在太陽(yáng)風(fēng)注入模擬實(shí)驗(yàn)中，將所有樣品同時(shí)置于樣品臺(tái)以確保處于相同的實(shí)驗(yàn)條件中，注入的H+能量為7keV，注入的H+通量為1017ions/cm2，相當(dāng)于月表約17年的太陽(yáng)輻射時(shí)間，注入過(guò)程中真空度維持在5.5×10–5torr。為了排除地球水的影響，對(duì)橄欖石樣品進(jìn)行了He+注入來(lái)作為背景樣品。注入前后的每個(gè)樣品都開展了紅外光譜測(cè)量，對(duì)比分析了樣品中水的含量和狀態(tài)變化。 經(jīng)H+注入后樣品中形成水的差異與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 圖1顯示了離子注入后五種不同樣品的紅外光譜圖，橄欖石、斜方輝石、單斜輝石、斜長(zhǎng)石和火山玻璃樣品經(jīng)H+注入后，其水的吸收峰都發(fā)生了不同程度的增加，其中斜長(zhǎng)石樣品中水吸收峰的增加最明顯，具體表現(xiàn)為：（1）H+注入后橄欖石樣品在~3564cm-1出現(xiàn)了一個(gè)新的較弱的寬峰，增加的水含量為16±1ppm，該峰位的水為H+進(jìn)入硅氧四面體中對(duì)Si空位電價(jià)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果；（2）H+注入后斜方輝石樣品在~3518cm-1出現(xiàn)了一個(gè)新峰，水含量為9±1ppm，為硅氧四面體中的OH，另一個(gè)峰位3568cm-1基本沒有水的增加，與八面體的OH有關(guān)；（3）H+注入后單方輝石樣品在3616cm-1峰位基本沒有水的增加，同樣與八面體的OH有關(guān)，另一個(gè)峰位3512cm-1的水增量為36±7ppm，屬于硅氧四面體中的OH；（4）H+注入后斜長(zhǎng)石樣品中的兩個(gè)水峰位于3622cm-1和3356cm-1，增加的水含量分別為158±19ppm和187±27ppm，分布屬于結(jié)構(gòu)OH和結(jié)構(gòu)H2O；（5）H+注入后火山玻璃的水峰在3538cm-1的水增量為10±1ppm，與硅氧四面體的OH有關(guān)。（6）H+注入后樣品中的水峰都發(fā)生了一定的紅移，表明H+注入會(huì)造成樣品結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得其中O–H的鍵能出現(xiàn)一定程度的減弱。 總的來(lái)說(shuō)，除了橄欖石和斜方輝石新增加的水峰外，其它增加的水峰峰位都與原始樣品中水的峰位相同，并且所有水含量出現(xiàn)增加的OH峰位都是位于硅氧四面體位置，表明H+注入硅酸鹽物質(zhì)中更容易在硅氧四面體中保留并形成水。斜長(zhǎng)石樣品屬于架狀硅酸鹽，相對(duì)其它硅酸鹽礦物和玻璃，其硅氧四面體的表面密度更大，經(jīng)H+注入其結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生破壞，因此也能捕獲更多的H+從而形成更多的水。
對(duì)月表太陽(yáng)風(fēng)成因水形成的指示意義 斜長(zhǎng)石是月壤中重要的組成礦物，約占12.9~69.1vol%。根據(jù)本研究的模擬實(shí)驗(yàn)可以得出在相同太陽(yáng)風(fēng)輻射條件下，斜長(zhǎng)石經(jīng)H+注入后生成的水最多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它礦物和玻璃中水的增量。因此，假設(shè)所有的太陽(yáng)風(fēng)成因水都保存在斜長(zhǎng)石中，對(duì)于平均粒徑為100μm的月壤顆粒，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)中斜長(zhǎng)石中水的吸收強(qiáng)度變化，可以估算出月壤中太陽(yáng)風(fēng)成因水的吸收強(qiáng)度，即3356cm-1處吸收強(qiáng)度變化為0.7~3.6%，3622cm-1處吸收強(qiáng)度變化為0.9~4.8%。該計(jì)算結(jié)果與前期月球紅外遙感探測(cè)月表水的反演結(jié)果相一致。本研究能夠?yàn)檠芯吭虑虻葻o(wú)大氣天體表面太陽(yáng)風(fēng)成因水的形成和特征提供重要基礎(chǔ)，同時(shí)也能為紅外遙感探測(cè)數(shù)據(jù)解譯提供重要參考。 上述成果發(fā)表于地球與行星科學(xué)領(lǐng)域重要期刊Icarus。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所唐紅副研究員（院青促會(huì)成員），通訊作者為中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所李雄耀研究員（院青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員）。該成果主要受中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB 41000000）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41773066、41931077）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2018435）和民用航天技術(shù)預(yù)先研究（D020201）等項(xiàng)目資助。 論文信息：Hong Tang, Xiongyao Li*, Xiaojia Zeng, Yang Li, Wen Yu, Bing Mo, Jianzhong Liu, Shijie Wang, Yongliao Zou. 2021. Experimental Investigation of Structural OH/H2O in Different Lunar Minerals and Glass via Solar-Wind Proton Implantation. Icarus. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114322
| 
