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【前沿報道】Nature Geoscience:月球起源與地球巖漿洋
2019-05-13 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  新的模擬結果顯示,在遭受巨大撞擊形成月球時,地球表面覆蓋著巖漿洋。月球組成中包含的地球物質較之前推測的要更多。

  千百年來,人類對月球的起源充滿了好奇。目前學界廣泛接受的理論是“大碰撞”(Giant Impact)假說,即一個火星大小的星體碰撞地球產生的碎屑物形成了月球。近日,日本橫濱地球科學研究所的Natsuki Hosono及其合作者在Nature Geoscience發文,報道了他們利用計算機模擬計算大碰撞過程的相關結果,認為月球起源來源于地球早期的某次碰撞過程,當時地球外層尚未固結,而是處于大規模的熔融狀態,即所謂的巖漿洋狀態,相關結果更好地解釋了地球和月球成分上的相似性。

  要想追溯月球的起源,我們能夠倚仗的證據主要有兩方面,一方面是物理學上的證據,包括但不限于月球的質量、地月的距離和軌道、地月系統的角動量等條件,另一方面是化學組成上的證據,如地球和月球上不同元素的含量、各種同位素的比例等(Canup,2014)。通過計算模型分析不同形成條件下地月系統的相關參數情況,并與現有的觀測數據進行對比,可以有效地判斷月球的可能起源。 

  傳統的大碰撞假說認為,地球與一顆火星大小的撞擊體發生碰撞,月球的物質組成主要來自于該撞擊體的硅酸巖部分(Melosh,2019)。但隨著對地月系統樣品分析的不斷深入,尤其是同位素分析精度的不斷提高,科學家發現地球和月球的絕大多數同位素組成幾乎完全相同。要知道,同位素組成相當于星體的指紋,對星體的形成條件,早期過程等極為敏感。地月之間同位素組成的高度一致要求這兩天體具有相同的組成物質來源或在形成過程中經歷了充分的混合,這是傳統的大碰撞模型難以完美解釋的。 

1  a)利用光滑粒子法模擬大撞擊過程;(b)包含巖漿洋的原始地球撞擊模型(上兩行)與固結地球撞擊模擬(下兩行)的對比(Hosono et al., 2019)。圖中不同顏色的粒子代表了不同的來源,在撞擊產生的碎屑盤中,包含巖漿洋的原始地球撞擊模型指示了更高的地球物質比例    

  與前人的研究不同,Hosono等人認為,在大碰撞發生的時刻,地球表面仍處于大規模熔融的巖漿洋狀態。他們利用特別處理后的光滑粒子法(SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics Method)來對大碰撞過程進行模擬(圖1)。一方面,他們改進了高密度梯度情況下的處理模式以更好的處理行星表面、核幔邊界等密度不連續界面的變化情況;另一方面,為了適應大量處于熔融狀態的撞擊過程,他們在模擬過程采用了更符合熔體特征的狀態方程。模擬結果顯示,在地表仍處于巖漿洋狀態的情況下,由于硅酸鹽熔體具有更高的可壓縮性,在撞擊后具有更高的溫度,更容易脫離地球表面,因此撞擊產生的碎屑盤中具有更高比例的地球物質(2),從而有助于解釋地球和月球之間同位素組成的高度一致性。此外,巖漿洋中較高的FeO含量也有助于解釋月球樣品中更高的FeO含量。 

2  不同模型條件下地球物質的比例(Hosono et al., 2019)。圓點代表包含巖漿洋的原始地球撞擊,十字叉代表固結地球的撞擊模擬,不同顏色則代表了改變了高密度梯度處理模式的模型(DISPH)和原有模型(SSPH)的對比。總的來說,包含巖漿洋的模型預測了更高的地球物質比例,而改變高密度梯度情況下的處理模式可以進一步提高地球物質的比例    

  值得注意的是,盡管Hosono等人的工作為解釋地月體系具有相似的同位素組成提供了重要支持,但月球大碰撞假說還需要進一步得到樣品的驗證。特別是當前我們倚仗的月球成分信息主要來自于月球淺表樣品的分析,真正深部來源的信息還很匱乏,從而制約了對全月球的化學組成和同位素比值的可靠約束和對模型結果的準確判斷。月球表面的一些撞擊坑,如月球南極深達13公里的艾特肯撞擊盆地,可以暴露出月球深部的物質,從而為探索月球深部的元素含量和同位素組成提供了絕佳的機會。當前,嫦娥四號和玉兔二號正在那里工作,未來我國還將執行月球南極的采樣返回任務,這些工作將對月球的起源提供重要制約。

    

  主要參考文獻 

  Canup R M. Dynamics of lunar formation[J]. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2004, 42: 441-475.原文鏈接 

  Hosono N, Karato S I, Makino J et al. Terrestrial magma ocean origin of the Moon[J]. Nature Geoscience, 2019.原文鏈接 

  Melosh H J. 2019. Why the Moon is so like the Earth[J]. Nature Geoscience, 2019.原文鏈接     

  (撰稿:張馳/地星室)

 
 
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