月幔成分事關(guān)月球演化

馮·卡門撞擊坑

廣寒宮中，嫦娥枯坐，玉兔搗藥，這是古老神話中的月球。撞擊坑、環(huán)形山，坑坑洼洼，這是現(xiàn)代影像圖中的月球。但月球深處有什么，是長久以來都沒有答案的謎題。

日前，國際期刊《自然》在線發(fā)布我國月球探測領(lǐng)域的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺月球與深空探測研究部主任李春來領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用嫦娥四號就位光譜探測數(shù)據(jù)，證明了月球背面南極—艾特肯盆地(SPA)存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質(zhì)，為解答長期困擾國內(nèi)外學(xué)者的有關(guān)月幔物質(zhì)組成的問題提供了直接證據(jù)。

關(guān)于月球形成有哪些假說和理論?現(xiàn)代科學(xué)又提供了哪些證據(jù)?這項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)對完善月球形成與演化模型的啟示究竟是什么?

月幔成分事關(guān)月球演化

“關(guān)于月球的形成和演化存在多種理論和模型，其中在月球形成方面的假說和理論就包括分裂模型、捕獲模型、共增生模型和巨碰撞模型四種。”李春來接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)說。

其中，分裂模型假定早期地球旋轉(zhuǎn)特別快，致使自身轉(zhuǎn)動變得不穩(wěn)定，從而造成赤道地區(qū)的物質(zhì)被甩入軌道生成月球。捕獲模型認(rèn)為，月球形成于太陽系的另一個(gè)地方，最終因近距離遇到地球，經(jīng)重力捕獲從而進(jìn)入一個(gè)受約束而穩(wěn)定的繞地運(yùn)行軌道。

而共增生模型認(rèn)為，在地球增生期間，通過多種機(jī)制可能會形成一個(gè)環(huán)繞地球的星體物質(zhì)盤，這個(gè)星體物質(zhì)盤在地球整個(gè)增生期間都存在，月球由較小的繞日拋射物構(gòu)成。

不過，如今被普遍認(rèn)可的是巨碰撞模型。“根據(jù)這項(xiàng)理論，月球形成于太陽系形成的早期。當(dāng)時(shí)的地球與一個(gè)火星大小的天體發(fā)生碰撞，碰撞拋出的地殼和上地幔物質(zhì)在地球軌道上反復(fù)累積增生，從而形成月球。”李春來說。

“關(guān)于月球早期演化的假說和理論主要為著名的巖漿洋理論。由大碰撞和累積增生相伴的能量釋放產(chǎn)生了大規(guī)模的熔融，即巖漿洋，伴隨著熔融體晶出物的密度分離，形成了低密度、富斜長石的月殼，而如橄欖石、輝石等較重的礦物則下沉形成月幔。”李春來告訴科技日報(bào)記者。

現(xiàn)代科學(xué)為這些假說和理論提供了大量證據(jù)。首先是在月殼中富含斜長石的證據(jù)。通過阿波羅(APOLLO)號從月球帶回樣品中月海玄武巖的化學(xué)和巖石學(xué)研究，已經(jīng)證實(shí)月海表面富含斜長石;同時(shí)遙感獲取的鐵(Fe)、鎂(Mg)、鋁硅(Al/Si)、鎂硅(Mg/Si)等數(shù)據(jù)說明月球高地月殼也是斜長巖質(zhì)的。

“深部月殼及月幔的物質(zhì)成分目前仍存在著較大爭議，確定其物質(zhì)成分是這次研究的一個(gè)重要目標(biāo)。”李春來說。

著陸區(qū)域的選擇是關(guān)鍵

為何了解月幔物質(zhì)組成對于了解月球形成很關(guān)鍵?“月幔占月球體積和重量的主要部分，了解了月幔物質(zhì)組成可以檢驗(yàn)巖漿洋理論的正確性，從而修正和完善月球形成和演化的理論模型。”李春來解釋道。

過去，美國阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球任務(wù)返回的月球樣品中沒有發(fā)現(xiàn)與月幔準(zhǔn)確物質(zhì)組成有關(guān)的直接證據(jù)。李春來和研究團(tuán)隊(duì)為何能拿到關(guān)鍵性證據(jù)?

“這次之所以能夠拿到關(guān)鍵性證據(jù)或取得突破的關(guān)鍵因素，主要在于嫦娥四號著陸區(qū)域的選擇。”李春來說。

美國阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球任務(wù)均在月球正面著陸，且著陸區(qū)域沒有位于巨大的撞擊坑內(nèi)部，因此不太可能發(fā)現(xiàn)代表月球深部的月幔物質(zhì)成分。

而嫦娥四號著陸于月球背面南極—艾特肯盆地內(nèi)。“艾特肯盆地是整個(gè)月球上最大、最深和最古老的撞擊盆地，被認(rèn)為是最有可能撞穿月殼、暴露出月球深部物質(zhì)的區(qū)域。”李春來說。

嫦娥四號探測器著陸點(diǎn)位于艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)部，該區(qū)域被芬森(Finsen)撞擊坑的濺射物所覆蓋，而芬森撞擊坑是由小天體撞擊艾特肯盆地內(nèi)部表面而形成，其猶如在艾特肯盆地表面打了一口“深鉆井”，進(jìn)一步將艾特肯盆地表面以下更深部的物質(zhì)成分挖掘出來。

嫦娥四號的最新發(fā)現(xiàn)對于完善月球形成與演化的巖漿洋理論具有重要意義。“如果嫦娥四號的探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)月幔的物質(zhì)成分與巖漿洋理論預(yù)測的物質(zhì)成分不一致，則可以對巖漿洋理論進(jìn)行修正和完善，甚至提出新的理論。”李春來表示。

通過分析研究結(jié)果，李春來研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，月幔物質(zhì)成分富含橄欖石的預(yù)測仍不能被排除，上月幔的物質(zhì)成分很可能主要由橄欖石和低鈣輝石組成。

有待更多數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果

來自芬森撞擊坑的物質(zhì)是揭開月幔深處奧秘的關(guān)鍵。“芬森撞擊坑是艾特肯區(qū)域內(nèi)比較年輕的撞擊坑，濺射物分布較少受到后續(xù)撞擊事件的影響，且月球沒有經(jīng)歷過板塊構(gòu)造運(yùn)動，也不會受到如地球大氣、水、風(fēng)沙等的侵蝕作用。”李春來說。

不過，隨著時(shí)間的流逝，芬森撞擊坑的濺射物會受到空間風(fēng)化作用的影響，如劇烈的溫度變化、高能粒子的轟擊和微隕石撞擊。這會使得濺射物發(fā)生物理和化學(xué)變化。“物理變化主要為粉碎和熔結(jié)作用，即巖石和礦物破碎成更小的碎屑，熔結(jié)作用會形成熔結(jié)碎屑，化學(xué)變化主要是某些礦物的崩解和納米相鐵的產(chǎn)生，使得月壤的成熟度增加。”李春來說。

本次研究的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是玉兔2號所攜帶的紅外成像光譜儀(VNIS)獲取的著陸區(qū)兩個(gè)探測點(diǎn)高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。這意味著，VNIS在馮·卡門坑內(nèi)獲得的是局部區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)，那么，它能用來說明整個(gè)月幔的物質(zhì)組成情況嗎?

李春來告訴科技日報(bào)記者：“本次研究結(jié)果暫時(shí)不能說明整個(gè)月幔的物質(zhì)組成情況。通過VNIS在馮·卡門撞擊坑內(nèi)局部區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)，我們初步認(rèn)為艾特肯盆地的大型撞擊事件應(yīng)是撞穿了月殼，挖掘出了該區(qū)域的上月幔物質(zhì)成分。”

“同時(shí)，我們也認(rèn)為該區(qū)域月幔物質(zhì)成分不能排除富含橄欖石的可能，且該區(qū)域上月幔的物質(zhì)成分很可能主要由橄欖石和低鈣輝石組成。”李春來強(qiáng)調(diào)。

李春來表示，隨著后續(xù)探測任務(wù)的執(zhí)行，獲取的有效探測數(shù)據(jù)會越來越多。研究團(tuán)隊(duì)將關(guān)注后續(xù)光譜數(shù)據(jù)的分析研究工作，進(jìn)一步分析驗(yàn)證本次的研究結(jié)果。(代小佩)

關(guān)鍵詞： 月幔成分