Apollo时期认为月球是非常干燥的天体，直到21世纪对月球探测数据和月球样品进行重新分析才明确证实了月球水的存在。Cassini，Chandrayaan-1和Deep Impact这3次探测任务上搭载的红外光谱仪均发现了几乎整个月球表面都出现有2.8μm和3μm的OH/H₂O吸收信号，其主要来源于太阳风的注入作用。对Apollo月球样品中水的氢同位素进行分析也发现有不少与太阳风来源有关的胶结质玻璃、火山玻璃和斜长石颗粒。此外，国内外学者开展了模拟太阳风质子注入实验，验证了太阳风质子与含氧物质相互作用生成水这一过程。但太阳风成因水的具体形成机制、特征和影响因素等重要问题尚不明确，还需要进行系统深入的研究。针对月表不同物相颗粒受太阳风质子注入所形成水的特征差异，中国科学院地球化学研究所副研究员、中国科学院青年创新促进会会员唐红及其团队开展了地面模拟实验，对比分析了相同实验条件下H⁺注入到橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石和火山玻璃样品后生成水的含量和赋存状态，由此推断了月表太阳风成因水的主要赋存相和红外吸收特征，并与月球红外探测数据进行了对比。

太阳风注入模拟实验

太阳风质子注入过程的模拟是利用中国科学院地球化学研究所月球与行星科学中心搭建的太阳风注入过程模拟和分析平台来开展实验的。该平台中的离子注入机包括离子源、加速器、磁分析器、样品腔和控制系统这几个部分，可模拟太阳风H⁺、D⁺和He⁺的注入过程。本研究中实验样品来自地球样品，包括橄榄石（Fo=89–100）、斜方辉石（En=74–75）、单斜辉石（Wo=49–50）、斜长石（An =50–53）和火山玻璃，样品均制备成双面抛光的薄片。在太阳风注入模拟实验中，将所有样品同时置于样品台以确保处于相同的实验条件中，注入的H⁺能量为7keV，注入的H⁺通量为10¹⁷ions/cm²，相当于月表约17年的太阳辐射时间，注入过程中真空度维持在5.5×10^–5torr。为了排除地球水的影响，对橄榄石样品进行了He⁺注入来作为背景样品。注入前后的每个样品都开展了红外光谱测量，对比分析了样品中水的含量和状态变化。

经H⁺注入后样品中形成水的差异与结构的关系

图1显示了离子注入后五种不同样品的红外光谱图，橄榄石、斜方辉石、单斜辉石、斜长石和火山玻璃样品经H⁺注入后，其水的吸收峰都发生了不同程度的增加，其中斜长石样品中水吸收峰的增加最明显，具体表现为：（1）H⁺注入后橄榄石样品在~3564cm^-1出现了一个新的较弱的宽峰，增加的水含量为16±1ppm，该峰位的水为H⁺进入硅氧四面体中对Si空位电价补偿的结果；（2）H⁺注入后斜方辉石样品在~3518cm^-1出现了一个新峰，水含量为9±1ppm，为硅氧四面体中的OH，另一个峰位3568cm^-1基本没有水的增加，与八面体的OH有关；（3）H⁺注入后单方辉石样品在3616cm^-1峰位基本没有水的增加，同样与八面体的OH有关，另一个峰位3512cm^-1的水增量为36±7ppm，属于硅氧四面体中的OH；（4）H⁺注入后斜长石样品中的两个水峰位于3622cm^-1和3356cm^-1，增加的水含量分别为158±19ppm和187±27ppm，分布属于结构OH和结构H₂O；（5）H⁺注入后火山玻璃的水峰在3538cm^-1的水增量为10±1ppm，与硅氧四面体的OH有关。（6）H⁺注入后样品中的水峰都发生了一定的红移，表明H⁺注入会造成样品结构发生变化，使得其中O–H的键能出现一定程度的减弱。

总的来说，除了橄榄石和斜方辉石新增加的水峰外，其它增加的水峰峰位都与原始样品中水的峰位相同，并且所有水含量出现增加的OH峰位都是位于硅氧四面体位置，表明H⁺注入硅酸盐物质中更容易在硅氧四面体中保留并形成水。斜长石样品属于架状硅酸盐，相对其它硅酸盐矿物和玻璃，其硅氧四面体的表面密度更大，经H⁺注入其结构更容易发生破坏，因此也能捕获更多的H⁺从而形成更多的水。

对月表太阳风成因水形成的指示意义

斜长石是月壤中重要的组成矿物，约占12.9~69.1vol%。根据本研究的模拟实验可以得出在相同太阳风辐射条件下，斜长石经H⁺注入后生成的水最多，远远高于其它矿物和玻璃中水的增量。因此，假设所有的太阳风成因水都保存在斜长石中，对于平均粒径为100μm的月壤颗粒，根据模拟实验中斜长石中水的吸收强度变化，可以估算出月壤中太阳风成因水的吸收强度，即3356cm^-1处吸收强度变化为0.7~3.6%，3622cm^-1处吸收强度变化为0.9~4.8%。该计算结果与前期月球红外遥感探测月表水的反演结果相一致。本研究能够为研究月球等无大气天体表面太阳风成因水的形成和特征提供重要基础，同时也能为红外遥感探测数据解译提供重要参考。

上述成果发表于地球与行星科学领域重要期刊Icarus。论文第一作者为中国科学院地球化学研究所唐红副研究员（院青促会成员），通讯作者为中国科学院地球化学研究所李雄耀研究员（院青促会优秀会员）。该成果主要受中国科学院战略性先导科技专项（XDB 41000000）、国家自然科学基金（41773066、41931077）、中国科学院青年创新促进会（2018435）和民用航天技术预先研究（D020201）等项目资助。

论文信息：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