太阳风注入月表斜长石所生成水的形态和热稳定性模拟研究

Remote infrared spectroscopic detection by Cassini, Deep Impact and Chandrayyan-1 has recently discovered the absorption features of -OH/H2O in lunar soils, which is suggested that the lunar surface water result from the interaction between the proton from solar wind and the oxygen in the regolith. And the hypothesis has been tested by experiments with hydrogen ion irradiation of various silicate minerals. Although the formation of -OH/H2O in the irradiated samples has confirmed the possibility of water on the lunar surface by solar wind, the form and thermal stability of water in the lunar soil haven’t been understood. In order to solve this problem, this project intends to simulate the process of solar wind implantation by hydrogen bombardment into plagioclase. Combining the form of -OH/H2O in the plagioclase by theoretically analysis, scanning auger spectroscopy and infrared spectrometer would be used to analyse the form and thermal stability of -OH/H2O in the samples after ion implantation. The form and thermal stability of -OH/H2O by solar wind implantation in lunar surface is the key to resolve the characteristic, source and formation of the lunar water, and is the foundation of the researches about the migration process as well as the evolution of water on lunar surface.

太阳风注入月表矿物所形成水的形态和热稳定性特征是深入认识月球水的起源和成因过程的基础，也是理解月球表面水分布特征和迁移演化过程的重要线索，对于评估月球表面水资源特征特别是月球极区永久阴影区的水冰都具有重要意义。目前月球水的实际探测和实验研究都已证实太阳风粒子的注入可以在含氧矿物中形成水，但关于水的具体形态及其热稳定性尚未得到很好的认识。本项目针对这一问题，拟通过氢离子注入斜长石的模拟实验，结合理论分析，开展扫描俄歇分析和显微红外实验研究，确定离子注入后产生的水在斜长石矿物中的主要形态，探讨温度对斜长石中生成水形态和含量的影响，深入认识月球表面矿物经太阳风注入后形成水的主要形态和热稳定性，为更好认识和理解月球表面水的特征、来源和成因以及迁移演化过程提供重要依据。

近年来，水的问题一直是月球探测的一个重要内容。20世纪末和21世纪初发射的Cassini、Deep Impact和Chandrayaan-1任务中利用红外光谱仪对月球进行了探测，发现在月球表面包括低纬度地区均出现了2.8μm附近-OH 和3μm附近H2O的吸收峰信号，并且其信号强度随时间变化而变化。这意味着月球表面物质中可能存在水，这些水的形成与太阳风作用密切相关。但是目前对太阳风注入形成水的存在形态认识不足，其热稳定性的研究更少。针对太阳风注入作用产生的水在月表矿物中的形态及其热稳定性这一问题，本项目以斜长石为研究对象，用离子注入技术模拟了太阳风作用对斜长石样品开展氢离子注入实验，并进行了样品中水形态和热稳定性分析实验，结合相关的理论计算，确定了离子注入后产生的水在斜长石矿物中的主要形态，探讨了温度对斜长石中形成水的形态和含量的影响，从而深入认识了月表太阳风注入形成水的主要形态和热稳定性。通过本项目的实施，结合理论计算和模拟实验以及相关测试分析，结果表明H+注入斜长石后产生了明显含量的羟基和水，其中形成的OH位于斜长石中硅氧四面体位置，形成的H2O为结构水，产生的总水含量约为200ppm左右；注入的H+和D+对斜长石表面造成了一定的辐射损伤，使得斜长石出现了非晶化，其非晶层中Si和O等元素受到溅射而减少；注入的H+和D+主要集中在斜长石表面的深度200nm范围内，少量离子会扩散到较深位置；H+注入斜长石后样品中的水随温度的升高逐渐减少，结合月表温度变化，H+注入斜长石后产生的水是不稳定存在的，在月球赤道正午最高温度时，太阳风成因产生的H2O基本完全逃逸，而OH也减少到最低。这些研究成果对于深入认识月表太阳风成因水的赋存状态、含量和热稳定性提供了重要的基础，也为研究月表水的成因和迁移演化等研究提供了依据，同时为月表水的红外光谱探测和光谱数据的正确解译提供了参考。