月球地质

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月球的向地可见一面
从地球上拍摄的满月照片
雨海与在图像的上边缘处的哥白尼坑
月球内部构造示意图
雨海与在图像的上边缘处的哥白尼坑

  月球地质汉语拼音:Yueqiu Dizhi;英语:Moon, Geology of),研究月球物质组成、结构、构造、形成和演化历史的学科。又称月质学月球科学。20世纪50年代以前,人们通过望远镜观测月球,编制出各种月面图,但这只限于研究月球表面而且仅仅是月球正面的地理特征。1959年苏联发射的第一枚月球火箭,揭示了月球背面的秘密。1969年美国“阿波罗”11号登月以来,共采集了数百千克的各种月球样品,开始了对月球的土壤岩石的类型、矿物、化学成分、同位素组成、物理性质、月球的形成和演化过程的综合研究,编制出各种比例尺的全月月质图和构造图,从而揭开了全面研究月球地质的序幕。但是大部分月表还没有勘察过,很多月球地质学问题还悬而未决。

  月球地质相当不同于地球。月球没有大气、水体,因而没有风蚀水蚀;也没有板块构造,重力加速度更低;并且由于它的尺寸小,冷却的速度更快。月貌的形成主要是由于撞击坑与火山活动。月球拥有壳层、月幔层、月核。

月球表面的地形[编辑 | 编辑源代码]

  月陆和月海是月表基本的地形单元。

  月陆又称月球高地,是月面上隆起的古老基底,是平常看到的月亮上明亮的部分,也是月球背面的主要地形形态。那里峰峦起伏,山脉纵横,主要分布在月海的边缘。最大的亚平宁山脉长6,400千米,有许多高达4,000多米的山峰。月球上最高的山是南极附近的莱布尼茨山,高达6,100米。月陆也是月球上最古老的地质单元,年龄为42亿~43亿年,比地球上最古老的岩石(38亿年)和月球上月海玄武岩(31亿~39亿年)都老。月陆上的岩石都是结晶岩——斜长岩与富含镁的结晶岩套,以及月球上特有的克里普岩。

  月海是月球上下沉的、叠加在基底构造上的洼陷。肉眼所见是一片阴暗区。所谓“海”实际是一滴水都没有,只是大片低洼的大平原。已知的22个月海绝大多数分布在月球正面,只有面积很小的东海、莫斯科海与智海在月球的背面。风暴洋是最大的月海,位于月球正面,宽达1,700千米,面积500万平方千米。此外还有雨海(88万平方千米)、静海(26万平方千米)、面积为7万~28万平方千米的澄海,以及丰富海、酒海、危海、云海、湿海、知海、界海、史密斯海与南海。所有这些月海占据了月面25%左右的面积。月海既是“海”,就要低于月球水准面。如静海和澄海在水准面以下1,700米,湿海低5,200米,最低的雨海“海底”深达6,000多米。月海的主要岩石类似于地球上的玄武岩。大约在31亿年前,月海确实是“盛”满玄武岩岩浆的“海”。大多数月海呈封闭的圆形,周围被高大的山脉所围绕,雨海周围就有亚平宁山脉、高加索山脉、阿尔卑斯山脉、朱拉山脉和喀尔巴阡山脉。

  除了“海”与“陆”,月面上还星罗棋布地分布着许多环形山。环形山实际上是月坑周围的“坑唇”,很像地球上的火山口。月球背面就有4个以中国古代科学家石申、张衡、祖冲之和郭守敬命名的环形山。月坑的大小差异很大,从厘米级到几百千米。

  最大的月坑贝利坑直径达295千米,深3,960千米。直径233千米的克拉维斯环形山与230千米的牛顿环形山也可以与之相媲美。许多大型的环形山还有山峰高达两三千米的中央峰与峰群。据统计,月面上直径一米以上的月坑达3万亿个,直径1,000米以上的月坑占月面面积的7%~10%。月坑形成的年龄不一,甚至在早形成的月坑上“套”有许多小的后期月坑。有趣的是一些年轻的大型月坑常常具有以月坑为中心向四周呈放射状延伸的“辐射线”,那是陨星撞击月面时炸起的岩石碎块与尘土喷射的产物。哥白尼坑、第谷坑、开普勒坑等都有这种美丽的“辐射线”,在地球上用一般的双筒望远镜都能看得到。

  月溪和月谷是一些黑色的大裂缝,弯弯曲曲绵延数百千米,宽几千米甚至上千千米。看起来很像地球上的河流溪谷,所以细长者称为月溪,较宽敞者称为月谷。它们的成因比较复杂,有可能是月球演化早期水流所致,也有的实际为熔岩流,还有的是环形山“辐射线”的残余,甚至可能是众多小月坑连续排列的结果。

  总体上看,整个月面发育着北东方向、南东方向、南北方向和少量东西方向的断裂体系,把月面切割成格子状构造。月表的“地形”是各个时期的“地质作用”的结果。前雨海纪形成月陆上的古老山地。雨海纪月表受到大量小天体碰撞,形成主要的月海盆地,碰撞时的溅射物堆积成山脉;大量火山熔岩喷发的风暴洋纪,留下了熔岩充填的月海。艾拉托逊纪大量陨星撞击所留下的月坑,早已消失了溅射物形成的辐射纹。而相对近期哥白尼纪(8亿年前至今)形成的月坑(如哥白尼月坑、第谷月坑等)则保留了明显的辐射纹。

  月球的表面覆盖着一层3~6米厚的月壤。月壤由月岩碎裂成的,碎裂的原因主要是月表温差的变化和陨星的撞击。月壤中还含有太阳风的粒子和陨石碎块。

月球内部结构与物质组成[编辑 | 编辑源代码]

  月球是一个主要由硅酸盐成分组成的刚性球体。它与地球一样,也具有层圈构造。从月面到核部,可分为月壳、月幔与月核。层圈的划分主要是根据月震波波速的变化得到的。

  月震波在月壳中呈连续的平稳过渡,但到了深约60千米处波速就发生了突变:由7千米/秒增加到8千米/秒。说明这个深度正是月壳和月幔的交界处。月壳由两大基本单元组成:斜长岩的高地月壳和玄武岩的月海月壳。高地月壳占月球总体积的10%,月海玄武岩月壳则仅占月球总体积的0.1%。月壳厚度在各地是不同的。一般情况下,正面月壳厚度平均为50千米,背面月壳平均厚度为74米。根据月震波的分布,月壳又可分为上月壳和下月壳:0~25千米范围的上月壳中波速为5~6千米/秒。上月壳主要由月海玄武岩组成,其中最上部的1~2千米范围内是月岩碎块与月壤。在25~60千米深处的下月壳中,波速为8千米/秒。下月壳可能由富含斜长石的辉长岩、富铝玄武岩与斜长苏长岩所组成。60千米以下为月幔,纵波波速为9千米/秒,化学成分相当于地球的基性岩和超基性岩(如橄榄岩、辉石岩与榴辉岩)。在月壳和月幔之间有一几十千米厚、纵波波速为8~9千米/秒的过渡层。

  月壳是月球岩浆源区分馏的结果,轻的斜长石上浮,形成辉长质斜长岩上月壳;较重的橄榄石、辉石下沉到岩浆海底部,形成下月壳。因此,可以认为月球高地是早期辉长质斜长岩的残留体,绝大部分月岩是44.6亿年前主要岩浆事件的产物。

  月幔是月球内部的主要单元。月震波的研究表明,月幔是不均匀的,可以分为上月幔与下月幔。其界线大约在月面以下500千米处。上月幔主要由辉石组成,橄榄石次之;下月幔则相反,橄榄石占主要地位,辉石次之。大约在1,000千米处岩石发生部分熔融,这里是深月震的发源地。

  月核厚约700千米,温度达700℃。月震数据表明,月核不像地球的地核那样是高密度的铁镍金属核,可能是部分熔融和热的硅酸盐与铁–镍–硫成分的榴辉岩物质组成,具一定可塑性,大致相当于地球的软流圈。

月岩[编辑 | 编辑源代码]

  月球上岩石的统称。月面主要有三种类型的岩石:

  1. 主要组成月陆的富铝斜长岩(含Al2O315%~20%),为距今42亿~40亿年前月球内部的岩浆分离结晶作用所形成。
  2. 富铁的(有时是富钛的)月海玄武岩,是距今39.5亿~31.5亿年前月球内部的局部熔融而喷发的火山熔岩。
  3. 由含丰富的放射性元素和难熔微量元素组成的苏长岩。这些岩石与地球上的岩石有类似之处,只有在月球高地上有一种地球上没有的岩石——克里普岩(KREEP),它最早见于“阿波罗”12号取回的月壤中,后来发现它在月球上分布很广泛,是岩浆分异或残余熔浆结晶形成的富含挥发组成元素的岩石,有人称它们是“月球上的花岗岩”。它的成分就是它的名字所标明的那样:K为元素钾,REE为稀土元素,P为元素磷。

  已发现月岩含有近60种矿物,其中有6种是地球上尚未发现的矿物,如三斜铁辉石[CaFe6(SiO3)7]、低铁假板钛矿[(Mg,Fe) Ti2O5]、钛铬铁矿[(Fe,Ti,Al,Cr)3O4]、静海石[Fe82+(Zr+Y)2Ti3Si3O24]和类似静海石的富锆矿物(X及Y相)。月岩中的矿物几乎不含高价铁,也不含水,说明月岩形成于高还原和缺水的环境。在月岩和月壤中发现有地球上的全部化学元素。月岩化学成分与太阳原始星云的平均化学成分相比,难熔的亲岩元素比较丰富,而缺乏亲铁、亲铜和挥发性元素。月岩中发现有机化合物和生命物质的迹象。

月球的演化[编辑 | 编辑源代码]

  月球与其他天体一样,也有它的发生、发展、演化与衰亡的过程。现代的月球已经是一个“死亡”了的天体。这个过程经历了6个阶段。

  1. 形成前阶段(距今58亿~46亿年)。在以原太阳为中心的太阳星云盘中,元素产生分馏、凝聚、吸积和级序增生,在太阳的不同距离、不同空间的温度区域,形成了化学成分不同的星云盘。
  2. 月球的形成及其初始阶段(距今46亿~44亿年)。即在太阳系各天体基本形成时也同时形成了月球。月球的热历史研究表明,早期(距今45亿~44亿年)月球曾发生过多次局部熔融,大部分区域被加热到1,000℃以上,甚至出现过全球性的岩浆洋。内部物质通过熔融与重力调整,逐渐形成核、幔、壳结构。
  3. 区域熔融与月球高地形成阶段(距今44亿~40亿年)。这个时期称为前雨海纪。月球在41亿年前发生过一次规模较大的岩浆活动,形成了斜长岩高地(月陆)。这些岩石都留下了复杂碎裂变形,经历了多次撞击作用的变质历史。到了距今40亿年时,斜长岩局部熔融,产生了富含放射性元素和难熔元素的岩浆海,形成了非月海玄武岩(克里普岩与苏长岩)。斜长岩与非月海玄武岩是组成月壳的主要岩石。
  4. 月海的形成和月海泛滥阶段(距今40亿~31亿年)。这个时期形成了月海,因而称为雨海纪和风暴洋纪。在距今40亿~39亿年(精确地说应该是39±0.5亿年)时,在大量小天体的猛烈而频繁的撞击下,月球上形成了几个大型的月海盆地,先后形成了酒海、澄海、湿海、危海、雨海和东海。在距今39亿~31亿年的风暴洋纪时,月海开始“泛滥”。月球第二次大规模火山岩浆喷发,填满了大大小小的“海”。现在已经知道,其间共有5次玄武岩喷发。
  5. 晚期演化阶段(距今31.5亿~8亿年)。又称艾拉托逊纪。这个时期仍频繁有小天体撞击月球,在月陆和月海上形成大大小小的撞击坑。潮汐作用诱发的月震活动依然活跃,但月球的地质作用已经基本结束,月面的形态没有多大的变化。不过在距今20亿年前,月球似乎发生过一次原因不明而明显的加热事件,局部仍有小型岩浆活动和火山活动。
  6. 哥白尼纪(8亿年前至今)。8亿年以来,月球内部的化学演化几乎完全处于停滞状态。但月岩和月壤的暴露年龄表明,近500万年来,太阳系的小天体还是经常光顾月球。月面受到小天体的撞击,形成与此前不同的、具辐射纹的撞击坑。

  经过45亿年的演化,月球已成为一个内部能源近于枯竭、内部活动处于停滞的僵死的天体,仅有极其微弱的月震(每年释放的能量相当于地震释放的能量的百万分之一),表明它“僵而未死”。当今月球表面的偶尔的小天体撞击与巨大的温差,是主要地质营力。它使岩石机械碎裂、月壤层增厚、地形缓慢夷平。现今月球表面是一个无大气、无水、干燥、无声、无生命活动的死寂的世界。

月球形成说[编辑 | 编辑源代码]

  长期以来,月球的起源一直是得到广泛关注的热点问题。早期的假说有从地球裂变说、捕获说、共生说。现在,大碰撞说获得了科学界普遍接受。

月球裂变说[编辑 | 编辑源代码]

  达尔文的儿子乔治·达尔文提出在地球早期,由于加速旋转,甩出去一部分物质形成了月球。一般假设太平洋就是此事件的瘢痕。然而,现在已知大洋板块非常年轻,在2亿年以内;而月球非常古老。这一假说也不能处理地月系统的角动量。

月球捕获说[编辑 | 编辑源代码]

  这种假说认为月球是被地球引力场捕获的天体。实际上这基本上不可能,因为月球这样的天体如果与地球近距离遭遇将或者发生碰撞或者改变运行轨道再不能与地球相遇。该假说若要成立,原始地球需要有非常大的大气层,能够在逃逸前减缓月球运动。捕获说可以解释木星与土星的不规则卫星轨道,但难以解释在地球与月球拥有近似的氧同位素比例。

共生说[编辑 | 编辑源代码]

  这种假说认为地球与月球是太阳系原始吸积盘上形成的双星系统。该假说的问题是不能解释地月系统的角动量,也不能解释月球具有较小的核心(月核占月球半径的20%,而地核占地球半径的50%)。

大碰撞说[编辑 | 编辑源代码]

  目前月球起源的最佳解释是在太阳系进化的早期两颗原行星的碰撞。虽然在1940年代就被提出,这一假说在1984年才获得普遍认可。它能够满足地球与月球的轨道条件,并能处理月球相对小的金属内核。 现在普遍认为微行星间的碰撞在太阳系进化的早期是行星天体的生长方式,因此行星接近生成时发生大碰撞是不可避免的。

  这一假说认为一颗现在地球的90%大小的天体与相当于火星大小的另一颗天体(地球半径的一半、地球质量的十分之一)发生碰撞。这颗碰撞天体被称作忒伊亚(Theia),希腊神话中的月亮女神塞勒涅(Selene)之母。尺寸比例是为了碰撞后的双星系统具有充分的角动量匹配目前地月系统的轨道参数。碰撞也能够释放出足够的物质到地球轨道上最终形成月球。

  计算机模拟该事件表明,碰撞必须是接近地表切线方向的掠射(glancing blow),这将使碰撞天体的一少部分形成长臂物质被剪切下来,而碰撞后地球的不对称形状将使这些物质进入环绕地球的轨道。撞击的能量是巨大的:万亿吨物质被气化、融化。地球的部分地区温度将达到10,000°C。

  这一理论可以解释为什么月球只有一个小的铁核(大约占月球半径的20%,比较与地核占地球半径的50%)。碰撞天体的铁核的大部分据推测沉入了地核。根据碰撞理论,月面样本缺少挥发性物质。把大量物质抛入近地轨道的过程中释放出来的能量足以融化大部分月球物质,导致一个岩浆海的生成。

  新形成的月球的轨道只有现在月地距离的十分之一处。由于与地球的潮汐锁定,月球的一面始终朝向着地球。

  大碰撞说仍然面对着一些难解的挑战,如月表仍然存在着一些挥发性物质。

月球资源[编辑 | 编辑源代码]

  月球上有丰富的铁、钛、稀土元素、钍、铀和氦–3资源。铁与钛资源主要赋存于月海玄武岩中。月海玄武岩含TiO20.5%~13%,根据TiO2的含量月海玄武岩可分为高钛玄武岩、低钛玄武岩与高铝玄武岩。根据撞击坑(盆地)周边月海玄武岩与斜长岩的分布特征,再利用成坑模式计算出月海玄武岩的延伸深度,进而计算出其体积;据此,粗略估计月表22个月海玄武岩的总体积为106万立方千米。按TiO2含量大于4.2%的玄武岩面积占30%计,则钛铁矿的资源储量达(1,100~2,200)万亿吨,月球正面玄武岩中含钛铁矿(1,300~1,900)万亿吨。虽然这些数据是很粗略的,带有一定的不确定性,但“月球上钛铁矿很丰富”的印象是成立的。

  克里普岩是月球高地三大岩石类型之一。这种岩石富含钾、稀土与磷。研究表明,克里普岩含钍3.5微克/克,平均含稀土511.7微克/克。估计仅风暴洋中的总稀土元素资源量就有225亿~450亿吨。尽管对克里普岩的分布尚有争论,也无法精确计算其厚度与总体积,但已取得的资料已使人们取得一种共识:克里普岩中蕴藏着丰富的铀、钍和稀土元素资源。此外,月球还有极其丰富的铬、镍、钾、钠、镁、硅与铜等金属矿产资源。

  现代科学已经查明氦–3(3He)是一种洁净、高效、安全的聚合发电燃料。地球上3He很少(总共不过15~20吨),而月球上却很多,据计算,月壤中有3He 100万~500万吨。这些3He主要在月壤中,它们来自微陨石的冲击和太阳风粒子的注入。