导论：重新发现“富水”的月球

在阿波罗月球探测任务结束后的数十年间，月球普遍被视为一个十分贫水的星球。根据这种看法，科学家认为形成月球的巨大撞击，应会使月球内部失去大部分的水、硫，以及其他挥发性元素。

这种看法在2008年开始改变。这一年，科学家重新分析由阿波罗探月任务带回地球的火山玻璃珠，结果发现当中含有可能来自月球本身的水。其后的研究显示，这些火山碎屑喷发所代表的岩浆，来自月球内部富含挥发性物质的区域。换句话说，月球内部并非整片都极度干燥。

然而，这项发现也引起了一个重大疑问：既然月球岩浆含有相当多的挥发性物质，那么在喷发过程中，这些物质是如何挥发到太空的真空环境？

多年来，标准模型假设有一个简单的两段式过程。首先，当岩浆向月球表面上升时，气体从岩浆分离；其后岩浆分裂成液滴并自由落体至月球表面，余下的挥发性物质会在短暂的飞行过程中流失。

我们最近在科学期刊《自然通讯》(Nature Communications) 上发表的研究，透过数值仿真与数据同化，检验这个多年的假设。我们聚焦于阿波罗17号样本74220 — 即采集自肖提陨石坑附近的著名的“橙色火山玻璃”（图1和2）— 我们发现，单靠自由落体过程中的脱气，无法解释有关测量结果。相反，我们的研究结果给出一个截然不同的说法：在喷发结束之后，火山玻璃珠仍会在月球表面冷却并释放挥发性物质，情况更会持续多年。

图1：阿波罗17号航天员Harrison Schmitt与Eugene Cernan拍摄肖提陨石坑的边缘与月球车，背景可见耸峙的陶拉斯 — 利特罗月谷山脉。照片来源：美国太空总署。

解读火山喷发纪录：三位月球见证者

为了重组约于35亿年前发生的一次火山喷发，我们研究了保存在阿波罗样本 74220 中的化学纪录。这个独特的样本包含有三种物质（图3），每一种都保存了脱气过程的不同部分。

图2：阿波罗17号在肖提陨石坑边缘上橙色土壤挖掘壕沟的现场照片，当中显示了74220号橙色玻璃的采样位置。美国太空总署照片编号AS17-137-20990。

橄榄石中的熔体包裹体（Olivine-hosted melt inclusion）是在火山喷发之前，困在正在生长的橄榄石晶体里的微小岩浆囊。由于它们被封存在宿主晶体之中，因此保留了岩浆原有挥发性物质的最佳证据。

半开放包裹体（Melt embayments）是与橄榄石晶体的边缘相连接的小通道或囊袋。它们只获得部分的保护，因此记录了挥发性物质流失的中间阶段。

玻璃珠（Glass beads）是与橄榄石晶体的边缘相连接的小通道或囊袋。它们只获得部分的保护，因此记录了挥发性物质流失的中间阶段。

图3：阿波罗 74220 号样本的不同标本之显微影像。这些标本各自保存了不同程度的挥发性物质流失证据。橄榄石中的熔体包裹体（左）受到的保护最大，因此在火山喷发过程中受到最小的脱气影响。半开放包裹体（中）只有部分被包裹，挥发性物质可透过暴露的开口处流失。玻璃珠（右）则完全暴露在外，因此最容易发生脱气情况。中间的橄榄石颗粒（74220 OldOL2）既含有熔体包裹体，也含有半开放包裹体。图片来自倪氏与詹氏在2026年发表的合着论文。

在比较这三种样品当中所含水、氟、氯、硫的含量时，可见一个清晰的规律。熔体包裹体含有最高浓度的挥发性物质，半开放包裹体有中等程度的挥发性物质流失情况，玻璃珠的挥发性物质流失程度则最高。

水分方面的对比尤为明显。一些熔体包裹体含有高达百万分之1,205的水，而裸露的玻璃珠只保留了极少量的水 — 大约少了98%至99.9%。

为什么无法单靠自由飞行解释这些数据？

较早期的研究一般假设月球玻璃珠的大部分挥发性物质流失发生在自由飞行过程之中，亦即在火山喷发之后、液滴着陆之前发生。为验证这个假设是否适用于阿波罗17号的橙色玻璃珠，我们建构了一个模型，模拟正在冷却的熔滴之中挥发性物质扩散的情况。

由于扩散大大取决于温度，我们将扩散模型与一个从岩浆液相线温度（约1,603 K）开始的冷却历史相结合。我们追踪了水、氟、氯、硫的表现，并以硫作为重要的参考，因为硫的扩散速度比其余三种元素慢。

结果显示，化学和物理之间存在重大差异。为重现在橙色珠粒中心测量到的挥发性物质严重枯竭现象，上述模型需要大约10³至10⁴秒的冷却时间，亦即数千到数万秒的时间尺度。对于约286微米长的大型半开放包裹体，所需的冷却时间尺度更长，可达数小时之久。

但是，月球火山喷发的物理过程所允许的时间要短得多。弹道计算显示，火山玻璃珠的滞空时间最多只有大约10分钟。此外，由于玻璃珠样本近乎球形，代表它们在着地前应已冷却至玻璃转化温度之下，否则它们很可能在撞击月球表面时变形。

这显然存在着矛盾：火山玻璃珠在落体过程中没有足够时间流失所观测到如此大量的挥发性物质。在它们着陆之后，必然发生了某些重要的事情。

月壤保温毯：发生在月球表面的长期脱气

这矛盾促使我们关注在讨论月球火山活动时经常被忽略的一个因素：月球风化层（月壤）的隔热作用。

在月球的真空环境，细小且多孔的表面物质导热性极差。在颗粒之间没有空气或液态水的情况下，一层厚重的热火山灰和玻璃可以发挥极佳的隔热作用。

因此，我们建立了一个三阶段式的模型：

我们采用这个框架，结合“集合卡尔曼滤波器”（Ensemble Kalman Filter，为一种数据同化方法，也用于天气预报），研究是否可以重现已经测量到的阿波罗17号样本的挥发性物质数据。

答案是肯定的。

我们的热模型显示，如果火山碎屑沉积物累积速度够快的话，埋在月表下仅约30厘米的物质可以保持温暖长达数年。根据最佳拟合的模型，阿波罗17号的橙色玻璃珠和半开放包裹体的温度维持在玻璃转化温度（约938 K）附近一段足够长的时间，使其能在月球表面持续扩散和释放挥发性物质近三年。

图4：阿波罗17号火泉喷发产物的三段式脱气模型示意图。在第一阶段，岩浆通过火山管上升，并随着压力降低而释放挥发性物质；这段早期脱气历史被包含于橄榄石内的熔体包裹体记录下来。在第二阶段，岩浆分裂为液滴，并被膨胀的气体带往上方，继而坠落至月球表面，形成玻璃珠。在第三阶段，喷发所产生的珠粒和周围的颗粒聚集，形成沉积物，在月表缓慢冷却，并且在喷发之后持续流失挥发性物质。图片来自倪氏与詹氏在2026年发表的合着论文。

重新思考月球地层学及挥发物循环

这个三段式的模型也有助解释阿波罗17号岩芯样本之中几个令人费解的观测结果。

在橙色土壤壕沟附近采集到的双重岩心管里，上部各层富含明亮的橙色玻璃珠，而下部各层则主要是较深色的脱玻化黑色珠子。我们的模型给出了一个简洁的解释：埋藏得更深的玻璃珠会冷却得更慢，橄榄石和钛铁矿等晶体从而能在玻璃内部生成。久而久之，晶质化过程会使玻璃珠的颜色变深。

同一逻辑也适用于挥发性物质的流失。埋藏得较深的珠子会在更长时间里保持热度，并在更长的一段时间持续脱气。硫含量的独立测量结果与这个想法相符，显示较深层样本中的硫浓度低于较浅层的样本。

我们的模型或许也有助解释在某些橙色珠子所观察到、令人费解的“入气”特征。较早期的研究发现，硫以及一些金属和碱（包括铜、钠、钾）呈 U 形的浓度剖面，意味着物质从珠子表面向内移动。我们的解读是，这可能是火山爆发后发生的，当时从沉积物深处较热的位置释放出的气体向上移动，并且在靠近月球表面、较冷的玻璃珠上凝结。因此，那些浅层的珠子在冷却的后期可能从脱气状态转为入气状态。

结论：更为活跃的月球表面

我们的研究结果显示，月球火山碎屑沉积物在喷发结束后没有立即失去化学活性。相反，该些沉积物有可能在月球表面保持温暖，缓慢冷却，并且在长达数以年计的时间中持续活跃地释放挥发性物质。

这项研究结果改变了我们对于月球爆发性火山活动的认知。月球的火泉喷发非仅产生短暂的气体喷射，更可能形成了持续时间较长的局部挥发性物质来源。相应地，那些气体可能促成了暂时性的局部大气层，亦或许导致水和其他挥发性物质在月球表面重新分布。

了解火山沉积物如何冷却和脱气，不仅有助我们重建月球的火山喷发历史，也帮助我们明白月球上挥发性物质的长期循环。这对行星科学和未来的太空探索均具重大意义，因为它对于古代月球上水分的最终去向提供线索，包括其中一些水是否转移到月球两极附近永夜区的冷阱之中。

随着新的探测任务开始对这些极地储集库进行直接调查，这个具更广泛意义的问题就显得尤其相关。已计划于 2026 年下半年展开的中国嫦娥七号探月任务，其设计乃旨在探索月球南极，并在永夜区及周边范围寻找水冰和其他挥发性物质。透过解释火山气体如何释放、转移并最终滞留于月球表面，与我们相类似的研究为探月任务可能揭示的成果提供重要的背景依据（图 5）。

图5：中国中央电视台第13频道新闻报导的截图，以动画方式展示中国嫦娥七号探测器在月球南极寻找水的情况。嫦娥七号以探测南极地区为研究目的，包括可能保存有水冰的永夜区。

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

（倪鹏与詹彦合著：〈阿波罗 17 号火山玻璃在月球表面的长时间冷却和脱气〉，载于《自然通讯》）

作者

香港中文大学地球与环境科学系副教授詹彦

2026年6月