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沒有證據(jù)顯示月球晚期內(nèi)部曾發(fā)生過大規(guī)模熔融事件

2021-08-25 13:59:47 來源：中國科學(xué)報

45億年前，太陽系。一顆火星般大小的行星撞上了地球，碎片四濺，彌漫在地球周圍，聚集出一個新的星球——月球。

這是科學(xué)家對月球形成過程的一種猜測。他們認(rèn)為，最初，月球是一個處于熔融狀態(tài)的火紅球體。隨后，輕的物質(zhì)浮上表面，迅速冷卻成外殼；重的物質(zhì)則下沉到月球內(nèi)部，滾燙炙熱。內(nèi)部的巖漿不時沖破外殼噴薄而出，之后又被冷卻形成新的外殼。日復(fù)一日，月球的外層冷卻部分越來越厚，內(nèi)部的巖漿再也噴不出來，火山“死”了。

可是，月球火山是什么時候“死”的，還沒人能說得清。美國阿波羅計劃帶回的月球樣品顯示，月球火山作用主要發(fā)生于38億年前至31億年前；已發(fā)現(xiàn)的與火山作用有關(guān)的最年輕月球隕石形成于25億年前左右；一些地球物理模型則顯示月球火山作用止于20億年之前。

最近，中科院國家空間科學(xué)中心項目研究員張鋒及合作團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了直接證據(jù)，證明月球火山的“死亡”時間在10億年之內(nèi)。

月球臉上長“包”了

作為一名研究月球地質(zhì)的科學(xué)家，張鋒需要時常檢查月球的高分辨率遙感影像。

2017年，張鋒還是澳門科技大學(xué)的科研人員。有一天，他像往常一樣聚精會神地看著大屏幕上灰色的月球畫面。當(dāng)他的眼神緩緩滑過代表月球火山巖平原的暗色部分時，突然，一個從未見過的奇怪影像出現(xiàn)在他的視線里。

“怎么有這么多‘包’？”張鋒心里暗自打鼓。他放大圖片、睜大雙眼。在他面前，月球火山巖平原上，或散落、或成簇地分布著一些與傳統(tǒng)月球火山不同的小土丘，它們普遍缺少噴口、直徑小、頂部平坦，而且周圍被凹陷地形環(huán)繞。

此時，恰逢兩位80多歲的老科學(xué)家——美國布朗大學(xué)的火山地質(zhì)學(xué)家James W. Head和俄羅斯撞擊坑研究專家Alexander T. Basilevsky到澳門科技大學(xué)訪問交流。張鋒把圖片拿給兩位前輩看。“這種東西我們也沒見過。”他們一邊說，一邊湊近圖片細(xì)看。

他們當(dāng)即決定合作開展研究，并將這種小土丘命名為“環(huán)形凹陷穹丘”。基于比較行星學(xué)研究，他們認(rèn)定小土丘的形成與噴發(fā)到月球表面的熔巖成分及其在月表的動力學(xué)行為有關(guān)。

“火山噴發(fā)后期，相對富含水等揮發(fā)成分的熔巖，注入到已冷卻的熔巖殼下面，在月表真空和低重力環(huán)境下，里面的壓強(qiáng)增大，導(dǎo)致上覆冷凝殼破裂，從而引起內(nèi)部減壓。就像可樂瓶被打開了一樣，泡沫巖漿在壓強(qiáng)的作用下沿裂隙上涌并在表面聚集。內(nèi)部物質(zhì)的排放和表面重力的加載，則導(dǎo)致周圍地形下沉并形成環(huán)形凹陷。”張鋒說。

2017年，他們將研究成果發(fā)表于《地球物理研究快報》。

“包”形成于哥白尼紀(jì)

由于這些“包”是在火山噴發(fā)作用下形成的，通過研究“包”形成時間就能反推出火山噴發(fā)時間。可是，怎樣才能知道“包”形成的時間呢？

常用的思路是通過數(shù)“包”上的撞擊坑，然后套用模型計算。月球撞擊坑是科學(xué)家用來衡量時間的參照物。在阿波羅登月之后，科學(xué)家曾根據(jù)著陸點的撞擊坑數(shù)量、大小等情況和月球樣品分析，建立了撞擊坑大小—頻率分布統(tǒng)計方法。有了這個模型，研究者就可以根據(jù)每平方公里面積的撞擊坑數(shù)量和大小，推算出撞擊坑形成的時間。

然而，這些“包”平均直徑只有200米，“包”上的撞擊坑也不可能太大太多，對于如此小的面積，原先的模型方法很難適用。

但張鋒很快萌生出了新的研究思路。自從2017年之后，他們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了9000多個“包”，其中，有一些“包”伸入到撞擊坑內(nèi)部。“環(huán)形凹陷穹丘是在熔巖流動過程中形成的，我們從后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)，一些環(huán)形凹陷穹丘部分填充到了直徑小于300米的小型撞擊坑內(nèi)部。”張鋒說。

他表示，這些環(huán)形凹陷穹丘相關(guān)的火山作用，在發(fā)生時間上應(yīng)該晚于這些小型撞擊坑。如果得到小型撞擊坑的年齡，就可以確定環(huán)形凹陷穹丘的形成年齡上限。換言之，先有“坑”，后有“包”，知道了“坑”的年齡，就能大致推出“包”的年齡。

于是，張鋒與研究團(tuán)隊合作，采用月球表面侵蝕和發(fā)展模型等多種定年方法，研究了幾十個延伸到“坑”里的“包”，發(fā)現(xiàn)它們的年齡范圍在1.3億年到15億年，多數(shù)小于10億年。

“也就是說，月球在最年輕的地質(zhì)年代——哥白尼紀(jì)（大約11億年前至今），仍有火山活動。”張鋒說。

更多待解之謎

張鋒等人的研究成果發(fā)表于《地球物理學(xué)研究雜志：行星》。評審專家在匿名評審意見中寫道：“判斷月球火山活動的熄火時間，對于我們理解月球熱演化具有重要意義。這篇文章令人振奮，很有啟發(fā)性，從多個層次為未來研究和月球探測提供了判斷依據(jù)。”

評審專家認(rèn)為，這項研究為月球上存在10億年內(nèi)火山作用提供了直接證據(jù)，也可以作為未來選擇載人或無人探月任務(wù)科考點時的參考依據(jù)。

如今張鋒最盼望的，就是有一天登月著陸器能夠在月球上開展實地測量并帶回巖石樣品。“只有通過實地測量和樣品分析，測出來的結(jié)果才是最可靠的。”對待科研，張鋒保守而較真，“假如通過真實的樣品測量，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的研究結(jié)果不正確，就證明目前普遍采用的月球定年方法還有問題，有待于月球科學(xué)界同行們進(jìn)一步改進(jìn)和完善”。

從1609年伽利略將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)月球開始，人類對月球已經(jīng)探索了400多年。直到20世紀(jì)美國實施阿波羅登月計劃，21世紀(jì)我國正式開展月球探測工程——嫦娥工程，月球相關(guān)研究開始突飛猛進(jìn)。但總的來說，400多年的探索是在不斷推測與驗證中推進(jìn)的。

在這項研究之后，關(guān)于月球火山還有很多問題等待回答和驗證。“如此年輕的火山作用是如何發(fā)生的？10億年內(nèi)的火山噴發(fā)是由什么觸發(fā)的？發(fā)生晚期內(nèi)部熔融事件的熱源又來自哪里？”張鋒說，根據(jù)目前月球熱演化理論，還沒有證據(jù)顯示月球晚期內(nèi)部曾發(fā)生過大規(guī)模熔融事件，而針對這些科學(xué)問題，他們的研究還將繼續(xù)。

標(biāo)簽：月球火山月球熱演化理論月球探測研究團(tuán)隊