近日，地化所郭新转研究员团队在月球内部热演化研究方面取得重要进展。研究首次系统测定了月球地幔主要矿物——斜方辉石在高温高压及不同水含量条件下的热物理性质，揭示了微量结构水通过增强声子散射显著降低矿物热传输效率的微观机制。相关成果发表于《Earth and Planetary Science Letters》（EPSL），博士研究生颜鑫鑫为第一作者，郭新转研究员为通讯作者。
斜方辉石占月球地幔体积的20%-40%，其热物理性质直接影响月球的热传导与冷却速率。尽管已有样品和遥感证据表明月球地幔并非完全干燥，并以结构羟基形式含微量水，但水在高温高压下对斜方辉石热性质的影响长期缺乏定量研究，制约了热演化模型的精确构建。研究团队采用自主改进的瞬态平面热源法，结合多砧高压装置，在模拟月球地幔的2-8 GPa、300-900 K条件下，对水含量0-427 ppm的合成顽火辉石进行了热导率与热扩散率的系统测定。通过高精度多通道同步数据采集与原位功率校准等技术改进，将测量系统误差控制在5%以内。
实验表明，斜方辉石的热导率和热扩散率随温度升高而降低、随压力升高而增加，符合声子传导机制；而微量结构水的存在显著抑制了热传输效率，即使仅239 ppm的水也能产生明显影响。其微观机制在于羟基进入晶格形成点缺陷，增强声子散射。
基于实验数据并整合含水橄榄石的相关结果，研究团队构建了新的月球热演化模型，首次将主要地幔矿物的含水效应共同纳入计算。模拟结果显示，水含量是控制月球地幔热结构的主导因素。相比传统无水模型，含水地幔因热导率降低需要更陡的地温梯度，内部温度更高，为月球火山活动持续时间超出干燥模型预测提供了物理解释。结合地幔固相线温度与地震学观测，研究进一步将月球地幔整体水含量限定为约300 ppm。该结果对应的地温剖面与地球物理观测高度一致，并在1200-1400公里深度接近固相线，暗示该区域可能存在局部部分熔融，与核幔边界部分熔融层的地震观测相符。
该研究为月球地幔斜方辉石的含水热物理性质提供了系统的实验约束，修正了传统模型中对冷却效率的高估，为理解月球长期岩浆演化提供了矿物物理机制支撑，同时也揭示了微量水对类地行星内部热演化的重要调控作用。
论文信息：
Xinxin Yan, Xinzhuan Guo*, Yun Zhou, Yuping Song, Qingshan Zhang, Meng Lv. From dry to damp lunar mantle: How trace water in orthopyroxene reshapes the internal thermal state of the Moon. Earth and Planetary Science Letters, 2026, 684: 120009.
图1：对月球热结构的指示意义：利用本研究测定的顽火辉石热物理性质模拟得到的月球内部温度-深度剖面。图a至图d分别对应地幔整体水含量为0、100、300和500 ppm的情况。在每个子图中，本研究的模拟均包含了不同氢分配系数（
）以及橄榄石与斜方辉石不同体积比（60:40或80:20）的模拟情景。本研究模型预测，含水地幔的内部温度远高于传统无水模型的计算结果。
（关键矿产室/供稿）