月球上是否存在水对于月球演化和资源开发至关重要，并引发了学术界长达半个多世纪的研究探索。对1969年-1972年采集的阿波罗样品的研究表明，月壤中未发现任何含水矿物。此后，月球不含水成为月球科学的基本假设，对于认识月球火山演化，月地起源等问题产生了重大影响。直到1994年，“克莱门汀” 探测器对月球两极进行观测，认为极区永久阴影区的月壤中可能存在水冰。

2009年，“月船一号”搭载的月球矿物绘图光谱仪发现月球表面存在太阳风导致的羟基（OH-）和/或水分子信号。同年，“月球观测和传感卫星”（LCROSS）以2.5公里/秒的速度撞击了月球永久阴影区，对撞击尘埃的遥感测量显示了水的信号。最近，遥感数据表明月球光照区也有水分子存在的迹象。针对当年采集的阿波罗月球样品，人们近年来运用高灵敏度的表征技术，在部分玻璃和矿物中发现了PPM（百万分之一）量级的“水”（H+，OH-或H2O），但没有水分子存在的确凿证据。



图1. ULM-1的照片和成分组成。a. CE5土壤样本的照片，b.ULM-1单晶照片，c. EDS光谱，d. EPMA光谱，e.拉曼光谱，f. IR光谱。

我国嫦娥5号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩（~20亿年），并且是迄今为止纬度最高的月球样品，为月球水的研究提供了新的机遇。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心陈小龙研究员，金士锋副研究员、博士生郝木难等与北京科技大学郭中楠副教授，天津大学殷博昊工程师，中国科学院青海盐湖所马云麒研究员，郑州大学邓丽君工程师等合作，在嫦娥五号带回的月球样本中，发现了月球上一种富含水分子和铵的未知矿物晶体：ULM-1（图1）。这一发现标志着首次在月壤中发现了分子水，同时揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。



图2.ULM-1的晶体结构和电荷密度。

基于单晶衍射和化学分析，研究人员发现这些月球水和铵以一种成分为(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O的水合矿物形式出现（图1）。该矿物分子式中含有多达六个结晶水，水分子在样品中的质量比高达41%（图2）。在红外和拉曼光谱上，均可以清晰地观察到源于水分子和铵的特征振动峰（图1）。晶体的电荷密度可以清晰地看到水分子中的氢（图2）。ULM-1的晶体结构和组成与地球上近年来发现的一种稀有火山口矿物相似。在地球上，该矿物是由热玄武岩与富含水和氨的火山气体相互作用形成，这一发现为月球上的水和氨的来源提供了新的线索。



图3.不同地球和地外行星物质中氯同位素的分布。

为了确保这一发现的准确性，研究人员进行了严格的化学和氯同位素（37Cl/35Cl）分析。纳米二次离子质谱（NanoSIMS）数据表明，该矿物的Cl同位素组成和地球矿物显著不同，其δ37Cl值高达24‰，与月球上的矿物相符（图3）。对该矿物化学成分和形成条件的分析，进一步排除了地球污染或火箭尾气作为这种水合物的来源。该六水矿物的存在对于月球火山气体的组成给出重要的约束。基于热力学分析，当时月球火山气体中水的含量下限与目前地球中最为干燥的Lengai火山相当（图4），这对于我们理解月球的演化过程具有重要意义。这些发现揭示了一个复杂的月球火山脱气历史。



图4.ULM-1结晶对月球火山气体中水逸度的限制。

这种水合矿物的发现还为我们揭示了月球上水分子可能存在的一种形式——水合盐。与易挥发的水冰不同，这种水合物在月球高维度地区（嫦娥5号采样点）非常稳定。这意味着，即使在广阔的月球阳光照射区，也可能存在这种稳定的水合盐，为月球资源的利用和探索提供了更为广阔的前景。月球表面水合矿物的发现标志着对月球水和铵研究的重大突破，也为未来月球资源的开发和利用提供了新的可能性。

相关成果以“Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang'e-5 lunar sample”为题 在线发表于 Nature Astronomy 2024，详细内容参见链接 https://doi.org/10.1038/s41550-024-02306-8，金士锋副研究员和郝木难为共同第一作者，陈小龙研究员为通讯作者。探月与航天工程中心为该研究提供了月壤样品（CE5C0400），该研究得到了中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-2），中国科学院网信专项（CAS-WX2021SF-0102）等项目的资助。