正面湿润，背面干燥的双面月球|月壤密码（4）

干月球，湿月球

很长一段时间里，科学家都认为月球是一个干旱无水的星球。在人类早期的探月任务中，阿波罗号带回的样本大多表现为“无水”状态，这与当时的主流观点高度一致——月球是在一次高温撞击中诞生的，过程中产生的高温足以让岩石中的水分彻底挥发殆尽。

这种观点也正好符合月球大撞击起源假说：大约45亿年前，一个火星大小的天体撞上了地球，大量物质被抛入太空，逐渐聚合成月球。如此剧烈的撞击导致几乎整个月球处于高温熔融的星球状态，这种高温会让水等挥发性成分几乎无法保留。因此，科学家一度相信，月球的形成过程天然决定了它应该是干的。而且由于月球并无磁场和大气，月球表面的任何水蒸气都会被阳光分解，氢和氧则会流失到外太空。

不过，这一看法在过去十几年里开始变化。

2008年，美国布朗大学的科学家在重新分析阿波罗任务样本时，在微小的火山玻璃珠(火山喷发后岩浆迅速冷却形成的玻璃质微粒)中首次发现了微量的氢，由于这些玻璃珠是古代月球火山喷发时形成的，这就说明月球的岩浆中是含有水分的——换句话说，月球生来就应该有水。

阿波罗任务中宇航员收集到的火山玻璃珠

（图片来源：NASA）

从此以后，越来越多的直接或间接观测证据都开始表明月球上存在水，比如以氢氧根或氢的形式，存在于矿物晶格结构中的含水矿物，月表受撞击后喷溅出来的物质中含有的水冰颗粒，以及月球极地中阳光永远照射不到的陨石坑底部的永久阴影区内直接以冰的形式储存的水等。

NASA绘制的月球南极（左）和北极（右）永久阴影区内可能存在的水冰分布图

（图片来源：NASA）

中国的嫦娥五号任务于2020年在月表采样后也带回来1.731kg月表土壤样本，而根据分析，这些月壤样本中也存在水，并且还发现了以分子水形式存在的水合矿物六水氯化镁铵。这种矿物仅需加热就能直接获得水分，且其含水量高达41%（参考文献[1]）。

月壤样本中发现的富含水分子的矿物放大1000倍后的效果

（图片来源：参考文献[1]）

这些研究，从根本上动摇了“月球无水”的刻板印象。但在最近，嫦娥六号从月球背面带回来的样本，又一次给出了完全不同的答案——月球背面环境似乎真的是极度干旱！

科学家如何分析月岩中是否含水？

2024年执行的嫦娥六号任务，是人类历史上第一次从月背采样并带回地球。采样地点位于南极–艾特肯（South Pole–Aitken，简称SPA）盆地中的另一个小陨石坑——阿波罗盆地。SPA是目前已知太阳系中规模最大、最古老的撞击结构之一。由于这类巨型撞击可能穿透月壳、暴露出更深层的地幔物质，因此SPA区域一直被认为是研究月球内部成分的窗口。此次采样并被分析的样本中，就包含了大量的地幔玄武岩碎屑。

但是，在分析这些岩石中的水分时，科学家并不是简单把它丢进炉子里加热，看有没有水蒸气冒出来。因为这其中的水，大多数时候并不是我们平常理解的液态水。

在月球样本中，水分通常不是以液态水的形式存在，而是以多种微观形式出现，主要包括三种：

第一种是所谓的结构水，即氢氧根或氢离子进入矿物晶体结构，它们是组成矿物的成分之一，需要化学反应才能从矿物中释放出来；

第二种是以分子水的形式存在于一些水合矿物中，比如嫦娥五号样本中发现的六水氯化镁铵，不严谨但形象地说，这些矿物就好像是海绵，可以直接嵌入水分子，但其孔洞过于细小，其中只能吸附一个或少数几个水分子，将其加热后可以直接释放水分；

第三种是熔融包裹体中的水：这是一种微小的液体囊泡，在岩浆冷却时被晶体包裹，保留了当时的熔体成分，其中可能包含分子水，或最终形成含水玻璃或含水矿物。

在众多月球矿物中，磷灰石（apatite）是最常被用于判断是否含水的一种矿物。它是一种含磷的矿物，化学结构允许少量氢氧根或氟离子进入晶体框架，可以把水分子牢牢地锁住。由于磷灰石在冷却过程中形成得比较晚，比较容易保留岩浆中的挥发性成分，因此可以反映出岩浆在冷却末期的水含量。

科学家通过质谱仪或红外光谱仪对磷灰石进行原位检测，测定其中氢氧根的浓度，再结合其在岩石中的体积分布，反推出整个母岩浆的平均含水量。

不过，这种方法有一个问题：晚期结晶的磷灰石容易受到岩浆脱气的影响，就像锅里煮汤时间太长，水都蒸发走了一样。因此它反映的水含量，往往是“被煮过”之后的结果。

相比之下，另一种更为宝贵的“含水证据”是所谓的熔融包裹体（melt inclusion）。

在岩浆冷却结晶的过程中，部分矿物会将尚未完全冷却的熔融物质封闭进自身晶体结构中，形成所谓的“熔融包裹体”。这些包裹体通常只有几十微米大小，却保留了当时岩浆最初始的状态，几乎不受后期变质或脱气影响。

通过显微取样和高精度质谱技术，科学家可以测出包裹体中的水含量，并结合母岩的组成与稀土元素分布，进一步推算出这块岩石在地底形成时的含水环境。

月球背面真的更干吗？

在嫦娥六号带回的样本中，研究人员选取了多颗富含磷灰石和熔融包裹体的玄武岩碎屑，并对其中的水含量进行了精确测定。他们的目标，是要弄清楚：这些岩石形成时，是否从深部的月幔中携带了水。

这些岩石的形成来自如下流程：地幔岩浆的一部分上升，一边上升其中的一部分就一边结晶，最后岩浆完全冷却形成包含磷灰石的玄武岩。

嫦娥六号玄武岩样本中水的演化路径示意图。

（图片来源：参考文献[2]）

如上图所示，这一过程可分为四个关键阶段：首先，在深部月幔发生部分熔融，产生源岩浆，汇聚成母岩浆后上升至近地表，并经历分带结晶。在早期结晶阶段，形成的橄榄石中，包裹了部分熔融包裹体，可用于分析母岩浆的原始水含量。进入中期结晶阶段，形成的辉石、斜长石和钛铁矿，部分也可含有熔融包裹体，但水含量相对较低。最后，在晚期结晶阶段形成的磷灰石最容易富集水分，但也容易受到脱气影响，反映出岩浆末期的水逸失过程。

分析后的结果显示，最终计算得到的月幔源区水含量，仅为1–1.5μg/g，而月球正面样本的范围为1-200μg/g。也就是说，嫦娥六号得到的含水量为目前已知的最低值之一。这个结果的含义是明确的：这块玄武岩的源头——月球背面下方的月幔，确实非常干燥。

过去，我们已经知道月球在表面上就非常不对称——正面地壳薄、玄武岩覆盖广，背面地壳厚、布满高地；正面富含KREEP元素，背面极度稀缺（月壤密码系列第一篇《来自嫦娥六号的月壤样本，揭示出月球背面的滚烫岁月》）。而现在，科学家又发现：这种不对称，可能从地壳一直延续到了月幔深处。

那么，这种不对称从何而来？科学界目前有三种主要猜想：起源遗留说：月球在形成初期就未能将水分均匀分布，部分区域天生就更干；撞击扰动说：SPA盆地这样的巨型撞击可能扰乱了月幔结构，重新分布或耗散了原始水分；演化分化说：月球内部冷却结晶的过程本身就造成了元素分布的倾斜，背面形成了更干燥的月幔。

目前没有哪种说法可以被完全证实，但嫦娥六号的样本，为这些假设提供了第一手的数据支持。

这个发现说明了什么？

嫦娥六号和嫦娥五号的样本形成了鲜明对比：嫦娥五号显示月球正面月幔中含有较多水分，但嫦娥六号却显示月球背面的月幔，可能比我们此前想象得还要干。这不仅揭示了有水和无水的差异，更提示我们月球的正面和背面存在的二分性甚至延伸到了月幔。

此外，科学家们此前估算月球总体水含量时，主要依据的是正面样本。现在看来，这些数据可能并不全面。如果背面样本普遍都更干，那说明我们对月球的含水量很可能高估了。

就像当年的嫦娥五号颠覆了我们的认知，让我们知道月球含水一样，嫦娥六号又为这一新观点带来了新的挑战。科学总是这样，在一次次研究中不断修正自己的结论。虽然目前对月球的研究还存在各种不确定，但我们可以肯定的是，月球不是一个枯燥的死星，而是一颗拥有波澜壮阔故事和复杂内核的行星残骸。

我们还远未读完它的全部故事。

参考文献：

[1]Jin S, Hao M, Guo Z, Yin B, Ma Yuxin, Deng L, Chen Xu, Song Y, Cao C, Chai C, Wei Q, Ma Yunqi, Guo J, Chen Xiaolong (2024) Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the chang’e-5 lunar sample. Nature Astronomy, 8(9), 1127–1137. Nature Publishing Group.

[2]He H, Li L, Hu S, Gao Y, Gao L, Zhou Z, Qiu M, Zhou D, Liu H, Li R, Hao J, Hui H, Lin Y (2025) Water abundance in the lunar farside mantle. Nature, 643(8071), 366–370. Springer Science and Business Media LLC.

出品：科普中国

作者：地星引力（科普创作者）

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