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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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玉兔踏足的月面,是怎么形成的?   

2013-12-18 17:16:29|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:溯鹰

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【那么,玉兔号“轮下”的这片陌生“大地”,经历了怎样的地质变迁呢?图为艺术家笔下示意图,不过真正的玉兔,可不是金色的,而是银色的。图片来源:link2universe.net】

比起地球来说,月球地质的演化机制,可算是真正的“简单”了。

一方面,由于月球的壳层没有板块运动机制,月球岩石圈内的任何物质,一经生成,便无法在内外之间循环。因此,大陆漂移、造山运动、岩石圈旋回等为地球带来活跃的这些地质机制,便统统与月球无缘。月球无法形成宏伟的山脉,也无法形成沉积凹陷。虽历经斗转星移,却无法沧海桑田。它的整个壳层,是无法运动的石板一块。

另一方面,风化作用、沉积作用之类能够显著改造一个岩石星球表面的“外动力地质机制”,对于月球那极其稀薄的“大气”来说,也同样过于奢侈。这导致月面的地质体不会因为风吹磨蚀日渐消亡,也不会因为水汽淋滤而改造蚀变。基本上一经生成,便可保存恒久。

既然内、外两方面的地质动力都“不给力”,那什么才是月球的主要地质行为呢?

一架望远镜便可以直观地为我们回答这个问题。在月面较亮的部分——月陆上,布满了密密麻麻的陨石坑,那是外界天体撞击月陆的印记。既然月球自己造不了山,也造不了盆地,便只能靠天外作用力来塑造地形。有时候,一些较大的陨石撞击月面,可以形成规模可观的陨击盆地。

另一方面,月球自身也可以进行相当大规模的火山喷发(这点倒是跟地球相同),流淌的岩浆汇入这些面积可观的陨击盆地,形成与月陆相对的另一种地形——月海。布满陨击坑的明亮月陆和地势平坦的暗色月海是月球的主要地形,它们代表着月球最重要的两种地质作用。除此之外,在规模和重要性上,没有其他地质作用能与这二种相比了。

月球的地质行为虽然相对简单,但它们如何塑造出这块“天外大地”,这一段历史却不可小视。有资格写在月球史中的事件,对于整个地月系统来说,都完全可以算做一个个壮伟的“主幕”了——它们不仅忠实地记录着月球自身的形成与变化,甚至在早期地球由于壳层未固化而无力留下自身演化证据的时期,也保留了一份有关地球彼时状态的宝贵信息。这些古老的里程碑式事件,大部分都都发生在距今46亿到35亿年前的时间段内——这段时期是太阳系的早期发展阶段,由于天如修罗,地似炼狱,因而被形象地称为“冥古宙”。

月球演化大事件

月球大事件的第一幕,无疑是“盖亚”与“忒伊亚”的“分娩”(参见《行星撕裂的惨剧,地球或许也经历过》)。46亿年前,一颗火星大小的行星“忒伊亚”与地球相撞(这是业内的主流观点,除此之外也有另一种学说,详见《地心核爆炸,月球起源又一说?》)。在这个被称为“深大冲击”的事件中,两颗行星的核心融合,地幔与地壳的碎屑被抛入太空中,在地球的引力圈内形成一个由巨量碎屑构成的环带。由于初始速度不同,碎屑之间频繁碰撞、焊结。越来越多的碎屑如滚雪球般凝聚起来,在地球的潮汐力下逐渐形成椭球状,构成月球的雏形。

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【深大冲击的示意图。原地球与忒伊亚呈一定角度相撞,喷溅入太空的碎屑最终成为形成月球的原料。图片来源:nationalgeographic.com】

碎屑之间的融合充斥着无法想象的暴力。巨大的动能在碰撞的瞬间转换为内能,足以融化岩块,使新生月球完全成为了一片岩浆的海洋。彼时的整个月球,简直是一锅由Mg2+、Fe2+、Ca2+、Al3+和硅氧四面体(SO44-)混成的高温浓汤。如果站在当时的地球上仰望苍穹,将看到一轮异常明亮的赤月高悬夜空。由于岩浆本身会发光,其亮度或将数十倍于今日。但是,这光景持续不了多长。在冰冷孤独的宇宙中,滚烫的岩浆终归会凝结为寂静的岩石。

于是,时间的坐标便移向了月球史的第二幕,熔岩月球的固化过程——大结晶。

滚烫的混沌中一点点露出凝固的端倪。起初,无数微小的晶核在炽热的“原汤”中漂浮、游动,由于整个岩浆体系热流不均衡,它们生成又融化、融化又生成,演绎着炽热洪流中微不足道的涨落。然而,随着温度持续整体下降,晶核的比例越来越多。到了某个临界点之后,数以兆亿计的硅氧四面体和阳离子们,像是突然收到了某个中枢的统一指令,瞬间开始以大规模的方式改变原有随机分布的行为。它们以整齐划一的结构排列起来,伸出雏晶的枝桠,展开壮丽的分形。最终,在岩浆中凝结为一块块高度有序的离子矩阵。我们将这种有序排列的离子阵列称为矿物,意即“自然界的晶体”。

岩浆中矿物结晶的顺序,遵循着所谓的“鲍温序列”。最初,橄榄石[Ol, (Mg, Fe)2SiO4]和斜方辉石[Opx, (Mg, Fe)SiO3 ]会优先从岩浆中体系中结晶出来。它们的大规模结晶,将大量的镁和铁从岩浆中消耗出去。同时,由于密度比岩浆大,它们晶出后便沉入星球的深处,结果使得上层剩余岩浆中钙和铝的浓度越来越高,最终使岩浆演化为极富铝、钙、硅的浓浆。鲍温序列中的下一种矿物——斜长石(An, CaAl2Si2O8,钙的铝硅酸盐)——便于接下来开始大规模晶出。由于密度比较小,他们浮在整个月球的上表层,相互熔结,构成坚固的白色斜长岩。

在不到一亿年的时光内,斜长岩的结晶完成,使得炽热的月表岩浆海,完全固结为坚实的月陆,只剩下岩浆中那些为数不多的、不易参与大结晶的元素,如钾(K)、磷(P)及其他一些稀土元素(REE, Rare Earth Element)等,被浓缩至最后的一个小小岩浆湖里,倒也富集了起来。它们在这个岩浆湖里自己凝结,形成月面上一处异常独特的地质构造——克里普(K-REE-P)地体。

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【后期重轰炸示意图。类木行星的轨道震荡,使得无数小行星被抛入太阳系内带,密集地撞向年轻的月球、地球、金星、水星…… 图片来源:novacelestia.com】

虽然月球自己已经完成了壳层的凝固,但太阳系其他成员离老实地安顿下来还早得很。距今38亿年前,太阳系的两大巨人——木星和土星,仍处于轨道的调整期。由于轨道不稳定而发生的可怕共振,无数的小行星带和柯伊伯带天体被荡进太阳系内侧轨道。不计其数的小行星如同狂乱的流弹般射入太阳系内侧,对内部的一切实施无差别的密集轰击,地球、月球,金星等无一幸免。

正是这个灾难般的事件,在月球那新生的斜长岩月陆上留下了密集的陨石坑。而地球的表面,由于当时尚处在熔融态,这些残酷的伤口没有保存下来。只有月面上那些至今清晰可辨的冰冷陨坑,无声地诉说着38亿年前的灰色往事——那被称为“后期重轰炸”的陨星灾难,便是月球编年史的第三幕。

38亿年前的后期重轰炸结束之后,月球度过了3亿年较平稳时光。到了距今35亿年前左右,月球进入了岩浆的高频喷发期。在后期重轰炸中形成的大型陨击盆地,被地底涌出的岩浆充填、灌入。这些来自地底深处的岩浆,与大结晶时期构成月陆斜长岩的表层岩浆不同。它们可能是由早期结晶的辉石-橄榄石重熔而成的岩浆,贫硅铝而富镁铁。因此,它们的凝结产物不再是明亮的斜长岩,而是色调灰暗的玄武岩。大面积充入陨击坑的岩浆完全凝固成黑色的玄武岩,便成为了今日在地球上肉眼可见的大片暗色地形——月海。

嫦娥3号原计划着陆、玉兔号即将踏足的月面虹湾区,便是在月球史的第四幕——月海形成期期间形成的。

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【白色斜长岩的月陆和暗色玄武岩的月海,形成了月球最经典的印象,为地球上诸多的文明孕育了美丽的幻想。图片来源:robinyoga.com】

据科学家研究表明,玄武岩的最后一次喷发大概发生于距今10亿年前,月海形成期的结束,代表着月球历史上大事件期的落幕。之后,月球的地质构造便基本定型了。后来的时光里,除了偶尔撞入的小行星会在月面上掀起新的零星小坑之外,再也没有波澜壮阔的大事件能够彻底改写这颗卫星的历史了。这颗被潮汐力锁死的卫星,永远用一面朝着地球,用死寂般的稳定,远观着地球上那些翻天覆地的演化:大陆聚而复散,大洋开而复合,山岳隆而复平,生命萌生、爆发、灭绝、演进……
这一观就是十亿年——直到生命及它们的造物亲自踏足而至。对于这颗古老卫星的历史来说,那些奇怪的仪器、陌生的车辙,不过是须臾之中一丝微不足道的动静罢了。然而,这丝微不足道的动静中,却转动着地球生命真正走出家园、迈向宇宙的希望。

谁知道未来的那一天,会不会是月球历史的新章呢。

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本文首发于果壳网(guokr.com)“自然控”主题站《玉兔踏足的月面,是怎么形成的?

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