月球中纬度太阳风注入-扩散机制新解：高温条件下水分子形成与深度扩散的实验证据

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Solar Wind Implantation-Diffusion at Middle Latitudes on the Lunar Surface: Evidence from D+ Implantation Experiments

本研究针对月球中纬度地区正午高温环境下太阳风衍生水的形成与保存机制这一关键科学问题，通过开展1.5 keV氘离子注入硅酸盐矿物的模拟实验，首次证实了356 K高温条件下OD基团的形成及其在矿物中可达微米级的深度扩散。实验测得辐射增强扩散系数为10-11-10-12cm2/s，揭示了温度、注入通量和矿物晶体结构对扩散过程的重要影响，为阐释嫦娥五号样品中太阳风水的深度分布特征提供了关键实验依据。

　　

在浩瀚的宇宙中，月球作为地球最近的邻居，其表面水的存在与分布一直备受关注。近年来，嫦娥五号（CE5）月球样品的分析揭示了一个令人惊讶的现象：在月球中纬度地区（43.06° N, 51.92° W）的矿物中保存着丰富的太阳风衍生水。然而，这些水分子如何在月球表面正午高温（可达320-370 K）环境下形成并得以保存，成为月球科学领域亟待解决的关键问题。

传统理论认为，太阳风质子注入月球壤物后形成的水分子主要分布在矿物表层100纳米以内。但CE5样品的实际测量结果却显示，部分太阳风衍生水可以存在于深度超过100纳米甚至达到微米级的矿物内部。这种深度分布特征暗示着在太阳风注入过程中可能存在某种促进质子向矿物内部扩散的机制。特别是在月球中纬度地区，昼夜温差显著，正午时分的表面温度较高，这对太阳风衍生水的形成和保存提出了新的科学挑战。

为了揭示这一谜团，中国科学院地球化学研究所周传娇等研究人员在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上发表了一项创新性研究。他们通过模拟月球中纬度正午时分的温度条件，开展了1.5 keV氘（D）离子注入硅酸盐矿物的实验，系统研究了高温条件下太阳风衍生水的形成、扩散和保存机制。

研究人员主要采用了三种关键技术方法：离子注入实验模拟太阳风质子与月壤的相互作用，傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测OD基团的形成，以及纳米二次离子质谱（NanoSIMS）和透射电子显微镜（TEM）表征D的深度分布和矿物微观结构。实验样品包括辉石、斜长石和橄榄石等月球主要硅酸盐矿物，在356±10 K温度下进行D离子注入，注入通量为4.7×10¹⁷D⁺/cm²。

OD formation and preservation by D ions implantation with high temperature

实验结果显示，在356±10 K的高温条件下，D离子注入后所有三种矿物中都检测到了显著的OD基团形成。FTIR光谱在2400-2800 cm^-1范围内显示出明显的吸收增强，峰值位于2600 cm^-1附近，这被归因于OD基团的增加。辉石、斜长石和橄榄石的OD基团吸收面积分别增加了0.08、0.27和0.18 cm^-1，表明斜长石具有最强的OD形成能力。

NanoSIMS深度剖面分析表明，注入的D主要分布在矿物最表层50-60纳米深度范围内。TEM观察显示，每种矿物表面都形成了损伤层，辉石、斜长石和橄榄石的高度非晶化层厚度分别为80-110纳米、80-90纳米和70-90纳米，这与CE5月球硅酸盐矿物中太阳风诱导损伤层的厚度（主要40-100纳米）相似。值得注意的是，大部分注入的D被保留在矿物的非晶化层中，但有一小部分D能够到达并保存在下方的结晶矿物中。

Implantation-diffusion of D ions in silicate minerals with high implantation temperature

研究发现，在高温注入条件下，不同矿物中D的深度分布存在显著差异。辉石和橄榄石的D/¹⁸O比值先增加达到峰值后下降，而斜长石的D/¹⁸O比值随深度增加呈单调下降趋势，且峰值明显低于辉石和橄榄石。这些不同的分布特征反映了D在这些矿物中经历的不同程度的注入-扩散过程。

最令人惊讶的发现是，注入的D能够到达矿物表面以下数微米的深度。测量结果显示，D在辉石、斜长石和橄榄石中能够分别达到5056±506纳米、7717±772纳米和5744±574纳米的深度。这一发现与传统的SRIM模拟结果（预测D的停留深度约为60纳米）存在显著偏差，表明在注入过程中发生了明显的扩散效应。

研究人员将这种现象归因于辐射增强扩散效应。在注入过程中，D离子不断产生新的缺陷，随着注入通量的增加，缺陷不断积累，表面D浓度持续升高，导致矿物表面与内部之间的D浓度梯度不断增大，从而增强了D在矿物中的扩散。高温条件进一步为注入的D提供了更高的热动能，使其更容易克服活化能垒，促进扩散过程。

通过计算辐射增强扩散系数，研究人员发现辉石、斜长石和橄榄石的扩散系数分别为8.88±1.8×10^-12cm²/s、2.07±0.41×10^-11cm²/s和1.15±0.23×10^-11cm²/s。这种差异主要源于矿物晶体结构的不同，特别是离子孔隙度的差异（斜长石59.68，橄榄石48.14，辉石46.43）。离子孔隙度越高的矿物，扩散能力越强，这与斜长石具有最宽的D分布剖面相一致。

Implications for the formation-diffusion-preservation of solar wind-derived water at middle latitudes on the lunar surface

这项研究对理解月球中纬度地区太阳风衍生水的形成-扩散-保存过程具有重要意义。实验证实，在接近CE5着陆点最高温度（356±10 K）的条件下，月球土壤主要硅酸盐矿物中仍能形成并保存丰富的OD基团，这解释了为什么遥感探测发现月球中纬度地区正午时分OH/H₂O含量虽然显著降低但并未完全耗尽。

辐射增强扩散系数的确定为评估月球矿物暴露于太阳风的时间尺度提供了关键参数。考虑到月球表面的实际离子通量（3.00×10⁸ions/cm²s）远低于实验条件，以及中纬度地区升高的温度和延长的注入时间（数千年至数百万年），太阳风-H有望通过辐射增强扩散效应进入月球矿物内部数微米深度。这很好地解释了CE5样品中太阳风-H在月球矿物和玻璃中深度超过1微米的保存现象。

矿物晶体结构的差异对太阳风衍生水的形成-扩散-保存具有重要影响。斜长石表现出最强的OD吸收增加和D扩散能力，这解释了为什么月球高地（富含斜长石）显示出比月海更高的太阳风衍生水丰度。同时，斜长石中D的单调下降分布表明其向外扩散能力较强，但由于其较大的离子孔隙度，更多的D能够扩散到矿物内部深处。

研究结论表明，持续的太阳风注入与中纬度地区的高温相结合，能够有效诱导硅酸盐矿物中H的辐射增强扩散。在月球夜晚或矿物被撞击耕作埋藏后，H的扩散因被捕获在矿物缺陷中而显著减慢。因此，在评估月球中纬度地区矿物中太阳风衍生水的保存和扩散时间尺度时，需要同时考虑注入期间和注入后的扩散过程。

这项研究对即将开展的嫦娥六号（CE6）任务也具有重要指导意义。CE6采样点（41.6383° S, 153.9856° W）位于月球背面的南极-艾特肯盆地内，处于月球中纬度地区。模拟实验表明，该地区的月球土壤中应该保存有相当数量的太阳风衍生水，部分质子能够扩散到CE6月球矿物中微米级的深度。

更为重要的是，这项研究暗示即使在低纬度地区更高温度（约400 K）条件下，甚至在水星表面温度可达700 K的环境中，仍有可能通过扩散进入矿物内部的方式保存少量太阳风氢。这为理解类地无大气天体表面水的分布和保存机制提供了新的视角，对未来地外资源利用和生命起源研究具有深远意义。