月幔水具有二分性吗？

月幔水含量在揭示月球起源、岩浆洋固化模式、后续岩浆活动等方面具有重要科学价值。随着微区分析技术的进步，过去20年对月幔水含量的认识发生了翻天覆地的变化，从传统的“纯干”月幔转变为“湿”月幔的认识，并形成“干”“湿”新争议。目前，根据现有月球样品的水含量研究表明正面月幔的水含量变化范围为1-200微克/克，这些研究样品主要来自月球正面的风暴洋及其周围玄武岩地体（图1）。

月球由风暴洋、斜长岩高地和南极艾特肯盆地（SPA）三大地体组成，在形貌和物质组成上呈现显著的二分特征（图1）。风暴洋地体的钍含量明显高于南极艾特肯盆地，由于钍和水在岩浆演化过程中均表现为不相容元素，更倾向于赋存在熔体中，据此可推测月球背面月幔可能正面月幔更“干”。该猜想如果被证实，将有助于深刻理解月幔水的时空演化格局。然而，目前为止，人们对月球背面月幔水含量的认识尚属空白。我国嫦娥六号任务从月球南极艾特肯盆地返回了第一份月壤样品，为揭示正背面月幔的水含量分布特征提供了重要机遇。

图1月球样品采样位置及月幔水含量特征。以往11次月球采样都集中在月球风暴洋地体，估算月幔水含量为1-200微克/克

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嫦娥六号玄武岩源区的水含量

为了揭示SPA盆地下腹月幔的水含量，中国科学院地质与地球物理研究所胡森研究员和林杨挺研究员与南京大学惠鹤九教授研究团队借助纳米离子探针（NanoSIMS）对嫦娥六号玄武岩样品中的熔体包裹体和磷灰石进行了水含量与氢同位素的分析（图2）。研究结果表明橄榄石熔体包裹体中的水含量小于50微克/克，且贫氘（δD~-200‰左右；图3）；钛铁矿中的熔体包裹体中水含量以及氢同位素的变化范围较大；磷灰石的水含量可达3500微克/克，且非常富氘（δD~+826‰；图3）。根据橄榄石熔体包裹体、磷灰石与钛铁矿熔体包裹体的水含量与氢同位素测试数据，以及岩相和化学成分特征，可以勾绘出嫦娥六号玄武岩的岩浆演化过程（图4），并估算嫦娥六号玄武岩的母岩浆水含量约为15-22微克/克。

图2嫦娥六号玄武岩中熔体包裹体的岩相特征.嫦娥六号玄武岩中的橄榄石极其稀少，仅发现两颗富含橄榄石的玄武岩，并发现了几十微米大的数颗熔体包裹体

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图3嫦娥六号玄武岩样品熔体包裹体和磷灰石的水含量及氢同位素组成。橄榄石中熔体包裹体具有最低的水含量和最轻的氢同位素组成。钛铁矿中的熔体包裹体水含量和氢同位素组成变化范围较大。磷灰石具有结构水故而具有相对高的水含量，对应有最重的氢同位素组成

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图4嫦娥六号玄武岩浆演化示意图。（a）岩浆演化全貌图，通过月幔部分熔融形成的玄武质岩浆在经历结晶分异演化后上涌至月表。（b）、（c）和（d）分别为该过程的局部图。（b）橄榄石在岩浆中最早结晶，其中的熔体包裹体可以代表早期岩浆中的挥发分特点。（c）钛铁矿在岩浆中期结晶，其中的熔体包裹体可以代表中期岩浆中的挥发分特点。（d）磷灰石结晶于岩浆末期，代表了末期岩浆的挥发分特点

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玄武岩的母岩浆来自月幔岩石的部分熔融，由于月幔部分熔融形成的熔体可能经历过演化，他们采用了H₂O/Ce比来估算嫦娥六号玄武岩月幔源区的水含量。结果显示，嫦娥六号玄武岩的源区月幔水含量仅有1-1.5微克/克（图5）。正面玄武岩月幔源区的水含量均值为7.5微克/克，火山玻璃珠的月幔源区水含量为70.3微克/克，明显高于嫦娥六号玄武岩月幔源区的水含量（1.25微克/克；图5），说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。未来更多月球背面的返回样品将有助于确证月幔水含量二分性猜想。

图5月球内部的水含量与时间的关系。嫦娥六号玄武岩样品揭露了迄今为止最干的月幔

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研究成果发表于国际学术期刊Nature（何会存#，李林曦#，胡森*，高宇冰，高亮，周湛，邱梦凡，周迪圣，刘焕欣，李瑞瑛，郝佳龙，惠鹤九*，林杨挺*. Water abundance in the lunar farside mantle. Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08870-x.）。研究受国家自然科学基金委（42125303，42241104），中国科学院先导B（XDB 41000000）、中国国家博士后创新人才支持计划（BX20240365）和研究所重点部署（IGGCAS-202401，202204）项目共同资助。感谢国家航天局提供研究样品。