太阳风成因水是指太阳风中的质子（H⁺）与含氧物质中的氧相互作用形成的OH/H₂O。上世纪60年代就有学者提出太阳风注入是月球水的重要来源之一的假说，直到本世纪美国卡西尼号（Cassini）、印度月船1号（Chandrayaan-1)和美国深度撞击号（Deep impact）发现月表广泛存在OH/H₂O的2.8-3μm红外光谱信号，才证实了月表太阳风成因水的存在。另外，美国阿波罗（Apollo）返回样品中氢同位素的结果表明月壤胶结质玻璃、斜长石等颗粒中的水也有太阳风作用的贡献。迄今为止，太阳风成因水的模拟实验主要停留在OH形成的定性验证分析阶段，缺乏对水的定量计算和水的具体化学位置分析。

基于此，中国科学院地球化学研究所唐红副研究员团队开展了向斜长石样品中注入氢离子的模拟实验，定量计算斜长石中生成水的含量、确定水的位置并分析了温度对生成水的影响，探讨了斜长石中水逃逸的机制，最终结合月表温度，对月球不同纬度的水逃逸和保存特征进行了分析。这项研究依托中国科学院地球化学研究所搭建的太阳风注入过程模拟和分析平台，该平台可用来模拟太阳风（如H、He粒子）的注入过程。模拟实验使用斜长石（An_50-53）作为模拟月表钙长石的样品，注入的氢离子通量相当于斜长石样品暴露在月球表面约30年。研究结果表明：

（1）氢离子的注入会造成斜长石表面发生非晶化，从而产生大量缺陷和空位，使得注入的H得以保留并与其中的O结合形成OH/H₂O，进而增加了斜长石的含水量约100-200 ppm；

（2）新生成水的赋存状态有Type I型H₂O和Type II型H₂O，均属于结构水分子，其中Type I型H₂O既可位于结构中八面体M位（Ca、Na）中，也可位于四面体（如Si、Al）中；而Type II型H₂O仅可存于结构中八面体M位（Ca、Na）；

（3）水的逃逸：将样品从室温加热到140 ℃，Type II型H₂O相较于Type I型H₂O丢失得更快，注入产生的Type II型H₂O全部丢失，而Type I型H₂O还有少量保留，这两种类型水的热稳定性差异主要由其化学位置的差异决定的，可用重组解吸附（RD）理论来解释；

（5）根据月球表面的温度变化特征可知，月球赤道区域的最高温度可达130 ℃，在此温度下注入后生成的Type I型H₂O保留量＜10%，Type II H₂O完全逃逸，而在月球中纬度区域（最高温度为60~90 ℃），注入生成Type I型H₂O和Type II型H₂O均能得以部分保留，其中Type I型H₂O保留更多。该估算结果与遥感探测结果相一致，可见温度是影响太阳风成因水逃逸和保存的重要因素。

图1 氢离子注入后斜长石表面的TEM图像

图2 氢离子注入斜长石中Type I型和Type II型H₂O随温度的变化。红色虚线代表月表最高温度，黑色虚线代表水含量随温度变化的三个不同阶段。

本研究为探讨月球表面太阳风成因水的热稳定性提供了重要的实验证据，也为月球红外探测数据解译提供了检验，更为下一步对深入认识对太阳风成因水的形成-迁移-储存机制及其对月球水贡献奠定了基础。这项成果受中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目资助，发表于《Earth and Planetary Science Letters》。

论文相关信息：Zeng Xiandi,Tang Hong, Li Xiongyao et al. 2021. Experimental investigation of OH/H₂O in H⁺-irradiated plagioclase: Implications for the thermal stability of water on the lunar surface. Earth and Planetary Science Letters.  https://doi.org/10.1016/j.epsl.2021.116806