探明月表水的分布與儲存機制，是理解月表物質(zhì)演化、資源分布乃至未來利用的基石。遙感光譜觀測和月壤樣品分析均表明，太陽風(fēng)注入的氫（H）是月表水的一個重要來源。嫦娥五號月壤樣品中硅酸鹽相（橄欖石、輝石、長石和玻璃）H及其同位素（D/H）的分析顯示，太陽風(fēng)來源H在這些顆粒的太空風(fēng)化層中富集，且各類硅酸鹽礦物表層水含量相似。另外，由于五號月壤來源緯度高，它的水含量明顯高于低緯度的阿波羅樣品。然而，近期的遙感光譜研究顯示，月表水含量的分布和變化很可能與月表鈦含量也相關(guān)：低鈦區(qū)域的含水量通常高于高鈦月海玄武巖區(qū)域，且富鈦區(qū)域的OH/H2O表現(xiàn)出更為顯著的日變化特征。但也有研究指出，在部分月海區(qū)域，水含量異常與鈦含量并無直接關(guān)聯(lián)。

　　針對上述爭議，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合團隊對申請到的嫦娥五號月壤中的鈦鐵礦顆粒開展了水含量和H同位素分析，并對其風(fēng)化層的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究。

　　研究團隊采用納米離子探針-透射電鏡分析技術(shù)，對嫦娥五號月壤中挑選出的11個鈦鐵礦顆粒進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示，鈦鐵礦顆粒表層約100 nm的風(fēng)化層中水含量為730-3700 ppm，δD值為-884~-482‰，指示顆粒表層的水主要來源于太陽風(fēng)注入。然而，在這些被分析的鈦鐵礦中，研究未發(fā)現(xiàn)其類似于硅酸鹽相物質(zhì)中的極高水含量（6000ppm至>10000 ppm），且δD值也明顯偏高。

　　在微觀結(jié)構(gòu)方面，鈦鐵礦太空風(fēng)化層可見明顯的出晶格缺陷、囊泡以及納米金屬鐵。值得注意的是，鈦鐵礦風(fēng)化層中的囊泡結(jié)構(gòu)發(fā)育程度顯著高于硅酸鹽礦物。EELS分析在囊泡中探測到了He，但沒有發(fā)現(xiàn)H、OH和H2O。此外，基于太陽耀斑徑跡密度，估算的鈦鐵礦暴露年齡約為0.03至1.57 Myr，與硅酸鹽礦物的暴露年齡（約0.12至1.95 Myr）相當(dāng)，表明它們的暴露時間基本一致。因此，鈦鐵礦風(fēng)化層中相對較低的水含量和較高的δD值并非由暴露時間差異導(dǎo)致。結(jié)合前人的離子注入實驗結(jié)果，在相同D離子注入條件下，鈦鐵礦表層可達到與硅酸鹽相近的D含量。基于此，研究團隊提出，鈦鐵礦顆粒表層在太陽風(fēng)輻照下能夠形成與硅酸鹽相相當(dāng)?shù)乃?，但其形成的水更易發(fā)生擴散丟失，從而導(dǎo)致鈦鐵礦表層保存的水含量偏低。這一機制也與鈦鐵礦風(fēng)化層中囊泡結(jié)構(gòu)更為發(fā)育的微觀特征相吻合。

　　研究團隊進一步提出，鈦鐵礦和硅酸鹽礦物在水含量和H同位素組成上的差異很可能與其晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。鈦鐵礦中的Fe-O和Ti-O鍵能低于硅酸鹽礦物中的Si-O鍵，使其更容易與太陽風(fēng)注入的H發(fā)生反應(yīng)形成OH/H2O，同時促進納米金屬鐵的形成。月壤顆粒風(fēng)化層中廣泛發(fā)育的囊泡結(jié)構(gòu)是太陽風(fēng)輻照作用的另一重要微觀結(jié)構(gòu)特征。太陽風(fēng)注入的H和He會在囊泡中富集，當(dāng)囊泡內(nèi)部氣壓超過某一臨界閾值時，反而會加速捕獲H的逃逸。此外，月表頻繁的溫度變化、微隕石撞擊以及太陽風(fēng)濺射等過程，也會進一步促進鈦鐵礦中生成的水的丟失，導(dǎo)致其難以穩(wěn)定保存。

　　該研究首次闡明了鈦鐵礦月壤顆粒在月表水的分布和儲存中扮演的雙重作用。一方面，鈦鐵礦能夠通過與太陽風(fēng)的高效相互作用，促進太陽風(fēng)H向水的轉(zhuǎn)化；另一方面，受其晶體結(jié)構(gòu)特性限制，鈦鐵礦風(fēng)化層中生成的水難以長期穩(wěn)定保存。該發(fā)現(xiàn)不僅為解釋遙感觀測中月球富鈦區(qū)域水的顯著日變化現(xiàn)象提供了可能的礦物學(xué)機制，同時也為未來以鈦鐵礦為主要對象的月球原位資源開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

　　相關(guān)研究成果以Widespread ilmenite contributions to the surface water cycle in lunar Procellarum KREEP Terrane為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研究計劃、中國科學(xué)院相關(guān)項目等的支持。

月壤中鈦鐵礦和硅酸鹽相的水含量與δD分布圖

鈦鐵礦顆粒太空風(fēng)化層的微觀結(jié)構(gòu)特征

鈦鐵礦和硅酸鹽礦物太空風(fēng)化層中太陽風(fēng)H的注入、遷移與逸出示意圖