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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

來源:中國(guó)科學(xué)報(bào)

45億年前,太陽(yáng)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(gè)新的星球——月球。

這是科學(xué)家對(duì)月球形成過程的一種猜測(cè)。他們認(rèn)為,最初,月球是一個(gè)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(shí)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(shí)候“死”的,還沒人能說得清。美國(guó)阿波羅計(jì)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。

,中科院國(guó)家空間科學(xué)中心項(xiàng)目研究員張鋒及合作團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了直接證據(jù),證明月球火山的“死亡”時(shí)間在10億年之內(nèi)。

月球臉上長(zhǎng)“包”了

作為一名研究月球地質(zhì)的科學(xué)家,張鋒需要時(shí)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(huì)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原的暗色部分時(shí),突然,一個(gè)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、頂部坦,而且周圍被凹陷地形環(huán)繞。

此時(shí),恰逢兩位80多歲的老科學(xué)家——美國(guó)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(dòng)力學(xué)行為有關(guān)。

“火山噴發(fā)后期,相對(duì)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(bào)》。

“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(shí)間就能反推出火山噴發(fā)時(shí)間。可是,怎樣才能知道“包”形成的時(shí)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(jì)算。月球撞擊坑是科學(xué)家用來衡量時(shí)間的參照物。在阿波羅登月之后,科學(xué)家曾根據(jù)著陸點(diǎn)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(jì)方法。有了這個(gè)模型,研究者就可以根據(jù)每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(shí)間。

然而,這些“包”均直徑只有200米,“包”上的撞擊坑也不可能太大太多,對(duì)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(gè)“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(dòng)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(shí)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(duì)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(gè)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(dòng)。”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(píng)審專家在匿名評(píng)審意見中寫道:“判斷月球火山活動(dòng)的熄火時(shí)間,對(duì)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),從多個(gè)層次為未來研究和月球探測(cè)提供了判斷依據(jù)。”

評(píng)審專家認(rèn)為,這項(xiàng)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(diǎn)時(shí)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(shí)地測(cè)量并帶回巖石樣品。“只有通過實(shí)地測(cè)量和樣品分析,測(cè)出來的結(jié)果才是最可靠的。”對(duì)待科研,張鋒保守而較真,“假如通過真實(shí)的樣品測(cè)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(duì)準(zhǔn)月球開始,人類對(duì)月球已經(jīng)探索了400多年。直到20世紀(jì)美國(guó)實(shí)施阿波羅登月計(jì)劃,21世紀(jì)我國(guó)正式開展月球探測(cè)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(cè)與驗(yàn)證中推進(jìn)的。

在這項(xiàng)研究之后,關(guān)于月球火山還有很多問題等待回答和驗(yàn)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(duì)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(cè) 研究團(tuán)隊(duì)

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