月幔水具有二分性嗎？

月幔水含量在揭示月球起源、巖漿洋固化模式、后續(xù)巖漿活動等方面具有重要科學價值。隨著微區(qū)分析技術(shù)的進步，過去20年對月幔水含量的認識發(fā)生了翻天覆地的變化，從傳統(tǒng)的“純干”月幔轉(zhuǎn)變?yōu)椤皾瘛痹箩５恼J識，并形成“干”“濕”新爭議。目前，根據(jù)現(xiàn)有月球樣品的水含量研究表明正面月幔的水含量變化范圍為1-200微克/克，這些研究樣品主要來自月球正面的風暴洋及其周圍玄武巖地體（圖1）。

月球由風暴洋、斜長巖高地和南極艾特肯盆地（SPA）三大地體組成，在形貌和物質(zhì)組成上呈現(xiàn)顯著的二分特征（圖1）。風暴洋地體的釷含量明顯高于南極艾特肯盆地，由于釷和水在巖漿演化過程中均表現(xiàn)為不相容元素，更傾向于賦存在熔體中，據(jù)此可推測月球背面月幔可能正面月幔更“干”。該猜想如果被證實，將有助于深刻理解月幔水的時空演化格局。然而，目前為止，人們對月球背面月幔水含量的認識尚屬空白。我國嫦娥六號任務(wù)從月球南極艾特肯盆地返回了第一份月壤樣品，為揭示正背面月幔的水含量分布特征提供了重要機遇。

圖1月球樣品采樣位置及月幔水含量特征。以往11次月球采樣都集中在月球風暴洋地體，估算月幔水含量為1-200微克/克。

嫦娥六號玄武巖源區(qū)的水含量

為了揭示SPA盆地下覆月幔的水含量，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所博士后何會存、博士生李林曦、胡森研究員、林楊挺研究員與南京大學惠鶴九教授等人借助納米離子探針（NanoSIMS）對嫦娥六號玄武巖樣品中的熔體包裹體和磷灰石進行了水含量與氫同位素的分析（圖2）。研究結(jié)果表明橄欖石熔體包裹體中的水含量小于50微克/克，且貧氘（δD~-200‰左右；圖3）；鈦鐵礦中的熔體包裹體中水含量以及氫同位素的變化范圍較大；磷灰石的水含量可達3500微克/克，且非常富氘（δD~+826‰；圖3）。根據(jù)橄欖石熔體包裹體、磷灰石與鈦鐵礦熔體包裹體的水含量與氫同位素測試數(shù)據(jù)，以及巖相和化學成分特征，可以恢復(fù)嫦娥六號玄武巖的巖漿演化過程（圖4），并估算嫦娥六號玄武巖的母巖漿水含量約為15-22微克/克。

圖2嫦娥六號玄武巖中熔體包裹體的巖相特征.嫦娥六號玄武巖中的橄欖石極其稀少，僅發(fā)現(xiàn)兩顆富含橄欖石的玄武巖，并發(fā)現(xiàn)了幾十微米大的數(shù)顆熔體包裹體。Ol：橄欖石；Px：輝石；Ilm：鈦鐵礦；Pl：斜長石。

圖3嫦娥六號玄武巖樣品熔體包裹體和磷灰石的水含量及氫同位素組成。橄欖石中熔體包裹體具有最低的水含量和最輕的氫同位素組成。鈦鐵礦中的熔體包裹體水含量和氫同位素組成變化范圍較大。磷灰石具有結(jié)構(gòu)水故而具有相對高的水含量，對應(yīng)有最重的氫同位素組成。MI：熔體包裹體；LT：低鈦類型；HT：高鈦類型。

圖4嫦娥六號玄武巖漿演化示意圖. (a) 巖漿演化全貌圖，通過月幔部分熔融形成的玄武質(zhì)巖漿在經(jīng)歷結(jié)晶分異演化后上涌至月表。(b)、(c)和(d)分別為該過程的局部圖。(b) 橄欖石在巖漿中最早結(jié)晶，其中的熔體包裹體可以代表早期巖漿中的揮發(fā)分特點。(c) 鈦鐵礦在巖漿中期結(jié)晶，其中的熔體包裹體可以代表中期巖漿中的揮發(fā)分特點。(d) 磷灰石結(jié)晶于巖漿末期，代表了末期巖漿的揮發(fā)分特點。

玄武巖的母巖漿來自月幔巖石的部分熔融，由于月幔部分熔融形成的熔體可能經(jīng)歷過演化，他們采用了H2O/Ce比來估算嫦娥六號玄武巖月幔源區(qū)的水含量。結(jié)果顯示，嫦娥六號玄武巖的源區(qū)月幔水含量僅有1-1.5微克/克（圖5）。正面玄武巖月幔源區(qū)的水含量均值為7.5微克/克，火山玻璃珠的月幔源區(qū)水含量為70.3微克/克，明顯高于嫦娥六號玄武巖月幔源區(qū)的水含量（1.25微克/克；圖5），說明背面月幔比正面月幔更干，并提出正背面月幔水含量具有二分性的猜想。未來更多月球背面的返回樣品將有助于確證月幔水含量二分性猜想。

圖5月球內(nèi)部的水含量與時間的關(guān)系。嫦娥六號玄武巖樣品揭露了迄今為止最干的月幔。

該研究成果2025年4月9日在線發(fā)表在國際權(quán)威學術(shù)期刊Nature（何會存#，李林曦#，胡森*，高宇冰，高亮，周湛，邱夢凡，周迪圣，劉煥欣，李瑞瑛，郝佳龍，惠鶴九*，林楊挺*.Water abundance in the lunar farside mantle. Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08870-x）。

研究工作受國家自然科學基金（42125303，42241104），中國科學院先導(dǎo)B（XDB 41000000）、中國國家博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20240365）和研究所重點部署（IGGCAS-202401，202204）項目共同資助。感謝國家宇航局提供研究樣品。

美編 / 陳永焱

校對 / 劉強