導論：重新發現「富水」的月球

在阿波羅月球探測任務結束後的數十年間，月球普遍被視為一個十分貧水的星球。根據這種看法，科學家認為形成月球的巨大撞擊，應會使月球內部失去大部分的水、硫，以及其他揮發性元素。

這種看法在2008年開始改變。這一年，科學家重新分析由阿波羅探月任務帶回地球的火山玻璃珠，結果發現當中含有可能來自月球本身的水。其後的研究顯示，這些火山碎屑噴發所代表的岩漿，來自月球內部富含揮發性物質的區域。換句話說，月球內部並非整片都極度乾燥。

然而，這項發現也引起了一個重大疑問：既然月球岩漿含有相當多的揮發性物質，那麼在噴發過程中，這些物質是如何揮發到太空的真空環境？

多年來，標準模型假設有一個簡單的兩段式過程。首先，當岩漿向月球表面上升時，氣體從岩漿分離；其後岩漿分裂成液滴並自由落體至月球表面，餘下的揮發性物質會在短暫的飛行過程中流失。

我們最近在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications) 上發表的研究，透過數值模擬與數據同化，檢驗這個多年的假設。我們聚焦於阿波羅17號樣本74220 — 即採集自肖提隕石坑附近的著名的「橙色火山玻璃」（圖1和2）— 我們發現，單靠自由落體過程中的脫氣，無法解釋有關測量結果。相反，我們的研究結果給出一個截然不同的說法：在噴發結束之後，火山玻璃珠仍會在月球表面冷卻並釋放揮發性物質，情況更會持續多年。

圖1：阿波羅17號太空人Harrison Schmitt與Eugene Cernan拍攝肖提隕石坑的邊緣與月球車，背景可見聳峙的陶拉斯 — 利特羅月谷山脈。照片來源：美國太空總署。

解讀火山噴發紀錄：三位月球見證者

為了重組約於35億年前發生的一次火山噴發，我們研究了保存在阿波羅樣本 74220 中的化學紀錄。這個獨特的樣本包含有三種物質（圖3），每一種都保存了脫氣過程的不同部分。

圖2：阿波羅17號在肖提隕石坑邊緣上橙色土壤挖掘壕溝的現場照片，當中顯示了74220號橙色玻璃的採樣位置。美國太空總署照片編號AS17-137-20990。

橄欖石中的熔體包裹體 （Olivine-hosted melt inclusion）是在火山噴發之前，困在正在生長的橄欖石晶體裏的微小岩漿囊。由於它們被封存在宿主晶體之中，因此保留了岩漿原有揮發性物質的最佳證據。

半開放包裹體 （Melt embayments）是與橄欖石晶體的邊緣相連接的小通道或囊袋。它們只獲得部分的保護，因此記錄了揮發性物質流失的中間階段。

玻璃珠 （Glass beads）是拋射到月球天空的岩漿液滴。它們因表面張力之故而變成球形，並迅速冷卻成玻璃。由於它們完全暴露在外，因此最容易發生脫氣。

圖3：阿波羅 74220 號樣本的不同標本之顯微影像。這些標本各自保存了不同程度的揮發性物質流失證據。橄欖石中的熔體包裹體（左）受到的保護最大，因此在火山噴發過程中受到最小的脫氣影響。半開放包裹體（中）只有部分被包裹，揮發性物質可透過暴露的開口處流失。玻璃珠（右）則完全暴露在外，因此最容易發生脫氣情況。中間的橄欖石顆粒（74220 OldOL2）既含有熔體包裹體，也含有半開放包裹體。圖片來自倪氏與詹氏在2026年發表的合著論文。

在比較這三種樣品當中所含水、氟、氯、硫的含量時，可見一個清晰的規律。熔體包裹體含有最高濃度的揮發性物質，半開放包裹體有中等程度的揮發性物質流失情況，玻璃珠的揮發性物質流失程度則最高。

水分方面的對比尤為明顯。一些熔體包裹體含有高達百萬分之1,205的水，而裸露的玻璃珠只保留了極少量的水 — 大約少了98%至99.9%。

為什麼無法單靠自由飛行解釋這些數據？

較早期的研究一般假設月球玻璃珠的大部分揮發性物質流失發生在自由飛行過程之中，亦即在火山噴發之後、液滴著陸之前發生。為驗證這個假設是否適用於阿波羅17號的橙色玻璃珠，我們建構了一個模型，模擬正在冷卻的熔滴之中揮發性物質擴散的情況。

由於擴散大大取決於溫度，我們將擴散模型與一個從岩漿液相線溫度（約1,603 K）開始的冷卻歷史相結合。我們追蹤了水、氟、氯、硫的表現，並以硫作為重要的參考，因為硫的擴散速度比其餘三種元素慢。

結果顯示，化學和物理之間存在重大差異。為重現在橙色珠粒中心測量到的揮發性物質嚴重枯竭現象，上述模型需要大約10³至10⁴ 秒的冷卻時間，亦即數千到數萬秒的時間尺度。對於約286微米長的大型半開放包裹體，所需的冷卻時間尺度更長，可達數小時之久。

但是，月球火山噴發的物理過程所允許的時間要短得多。彈道計算顯示，火山玻璃珠的滯空時間最多只有大約10分鐘。此外，由於玻璃珠樣本近乎球形，代表它們在著地前應已冷卻至玻璃轉化溫度之下，否則它們很可能在撞擊月球表面時變形。

這顯然存在著矛盾：火山玻璃珠在落體過程中沒有足夠時間流失所觀測到如此大量的揮發性物質。在它們著陸之後，必然發生了某些重要的事情。

月壤保溫毯：發生在月球表面的長期脫氣

這矛盾促使我們關注在討論月球火山活動時經常被忽略的一個因素：月球風化層（月壤）的隔熱作用。

在月球的真空環境，細小且多孔的表面物質導熱性極差。在顆粒之間沒有空氣或液態水的情況下，一層厚重的熱火山灰和玻璃可以發揮極佳的隔熱作用。

因此，我們建立了一個三階段式的模型：

我們採用這個框架，結合「集合卡爾曼濾波器」（Ensemble Kalman Filter，為一種數據同化方法，也用於天氣預報），研究是否可以重現已經測量到的阿波羅17號樣本的揮發性物質數據。

答案是肯定的。

我們的熱模型顯示，如果火山碎屑沉積物累積速度夠快的話，埋在月表下僅約30厘米的物質可以保持溫暖長達數年。根據最佳擬合的模型，阿波羅17號的橙色玻璃珠和半開放包裹體的溫度維持在玻璃轉化溫度（約938 K）附近一段足夠長的時間，使其能在月球表面持續擴散和釋放揮發性物質近三年。

圖4：阿波羅17號火泉噴發產物的三段式脫氣模型示意圖。在第一階段，岩漿通過火山管上升，並隨著壓力降低而釋放揮發性物質；這段早期脫氣歷史被包含於橄欖石內的熔體包裹體記錄下來。在第二階段，岩漿分裂為液滴，並被膨脹的氣體帶往上方，繼而墜落至月球表面，形成玻璃珠。在第三階段，噴發所產生的珠粒和周圍的顆粒聚集，形成沉積物，在月表緩慢冷卻，並且在噴發之後持續流失揮發性物質。圖片來自倪氏與詹氏在2026年發表的合著論文。

重新思考月球地層學及揮發物循環

這個三段式的模型也有助解釋阿波羅17號岩芯樣本之中幾個令人費解的觀測結果。

在橙色土壤壕溝附近採集到的雙重岩心管裏，上部各層富含明亮的橙色玻璃珠，而下部各層則主要是較深色的脫玻化黑色珠子。我們的模型給出了一個簡潔的解釋：埋藏得更深的玻璃珠會冷卻得更慢，橄欖石和鈦鐵礦等晶體從而能在玻璃內部生成。久而久之，晶質化過程會使玻璃珠的顏色變深。

同一邏輯也適用於揮發性物質的流失。埋藏得較深的珠子會在更長時間裏保持熱度，並在更長的一段時間持續脫氣。硫含量的獨立測量結果與這個想法相符，顯示較深層樣本中的硫濃度低於較淺層的樣本。

我們的模型或許也有助解釋在某些橙色珠子所觀察到、令人費解的「入氣」特徵。較早期的研究發現，硫以及一些金屬和鹼（包括銅、鈉、鉀）呈 U 形的濃度剖面，意味著物質從珠子表面向內移動。我們的解讀是，這可能是火山爆發後發生的，當時從沉積物深處較熱的位置釋放出的氣體向上移動，並且在靠近月球表面、較冷的玻璃珠上凝結。因此，那些淺層的珠子在冷卻的後期可能從脫氣狀態轉為入氣狀態。

結論：更為活躍的月球表面

我們的研究結果顯示，月球火山碎屑沉積物在噴發結束後沒有立即失去化學活性。相反，該些沉積物有可能在月球表面保持溫暖，緩慢冷卻，並且在長達數以年計的時間中持續活躍地釋放揮發性物質。

這項研究結果改變了我們對於月球爆發性火山活動的認知。月球的火泉噴發非僅產生短暫的氣體噴射，更可能形成了持續時間較長的局部揮發性物質來源。相應地，那些氣體可能促成了暫時性的局部大氣層，亦或許導致水和其他揮發性物質在月球表面重新分佈。

了解火山沉積物如何冷卻和脫氣，不僅有助我們重建月球的火山噴發歷史，也幫助我們明白月球上揮發性物質的長期循環。這對行星科學和未來的太空探索均具重大意義，因為它對於古代月球上水分的最終去向提供線索，包括其中一些水是否轉移到月球兩極附近永夜區的冷阱之中。

隨著新的探測任務開始對這些極地儲集庫進行直接調查，這個具更廣泛意義的問題就顯得尤其相關。已計畫於 2026 年下半年展開的中國嫦娥七號探月任務，其設計乃旨在探索月球南極，並在永夜區及周邊範圍尋找水冰和其他揮發性物質。透過解釋火山氣體如何釋放、轉移並最終滯留於月球表面，與我們相類似的研究為探月任務可能揭示的成果提供重要的背景依據（圖 5）。

圖5：中國中央電視台第13頻道新聞報導的截圖，以動畫方式展示中國嫦娥七號探測器在月球南極尋找水的情況。嫦娥七號以探測南極地區為研究目的，包括可能保存有水冰的永夜區。

原文

Ni, P., Zhan, Y. Prolonged cooling and degassing of Apollo 17 volcanic glasses on the lunar surface. Nature Communications 17, 2291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69087-8

（倪鵬與詹彥合著：〈阿波羅 17 號火山玻璃在月球表面的長時間冷卻和脫氣〉，載於《自然通訊》）

作者

香港中文大學地球與環境科學系副教授詹彦

2026年6月