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沒有證據顯示月球晚期內部曾發生過大規模熔融事件

2021-08-25 13:59:47 來源：中國科學報

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。

這是科學家對月球形成過程的一種猜測。他們認為，最初，月球是一個處于熔融狀態的火紅球體。隨后，輕的物質浮上表面，迅速冷卻成外殼；重的物質則下沉到月球內部，滾燙炙熱。內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。日復一日，月球的外層冷卻部分越來越厚，內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生于38億年前至31億年前；已發現的與火山作用有關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中心項目研究員張鋒及合作團隊發現了直接證據，證明月球火山的“死亡”時間在10億年之內。

月球臉上長“包”了

作為一名研究月球地質的科學家，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繞。

此時，恰逢兩位80多歲的老科學家——美國布朗大學的火山地質學家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，一邊湊近圖片細看。

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

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

2017年，他們將研究成果發表于《地球物理研究快報》。

“包”形成于哥白尼紀

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

常用的思路是通過數“包”上的撞擊坑，然后套用模型計算。月球撞擊坑是科學家用來衡量時間的參照物。在阿波羅登月之后，科學家曾根據著陸點的撞擊坑數量、大小等情況和月球樣品分析，建立了撞擊坑大小—頻率分布統計方法。有了這個模型，研究者就可以根據每平方公里面積的撞擊坑數量和大小，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，他們陸續發現了9000多個“包”，其中，有一些“包”伸入到撞擊坑內部。“環形凹陷穹丘是在熔巖流動過程中形成的，我們從后續研究中發現，一些環形凹陷穹丘部分填充到了直徑小于300米的小型撞擊坑內部。”張鋒說。

他表示，這些環形凹陷穹丘相關的火山作用，在發生時間上應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，張鋒與研究團隊合作，采用月球表面侵蝕和發展模型等多種定年方法，研究了幾十個延伸到“坑”里的“包”，發現它們的年齡范圍在1.3億年到15億年，多數小于10億年。

“也就是說，月球在最年輕的地質年代——哥白尼紀（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表于《地球物理學研究雜志：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，很有啟發性，從多個層次為未來研究和月球探測提供了判斷依據。”

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

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，發現現在的研究結果不正確，就證明目前普遍采用的月球定年方法還有問題，有待于月球科學界同行們進一步改進和完善”。

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

在這項研究之后，關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生的？10億年內的火山噴發是由什么觸發的？發生晚期內部熔融事件的熱源又來自哪里？”張鋒說，根據目前月球熱演化理論，還沒有證據顯示月球晚期內部曾發生過大規模熔融事件，而針對這些科學問題，他們的研究還將繼續。