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2013年12月14日,嫦娥三号顺利着陆于月球雨海盆地里一个代号为“C1”的陨石坑东缘。“嫦娥”至此踏上了千年神话应许于她的天外大地。顺利着陆后,玉兔号月球探测车在C1陨石坑周边进行了114米的地质实测,取得了丰富而珍贵的月球地质资料。日前,由中国地质大学(武汉)的肖龙教授为第一作者、汇集了中国地质大学(武汉)、澳门科技大学、中国科学院电子所以及中科院国家天文台众多科学家工作的成果,发表在了世界顶级科学期刊《科学》(Science)上。“玉兔之声”此刻响彻在了全球科学界的最前沿。

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【2013年12月22日,玉兔和嫦娥在登月后的正式互拍。】

月球上的地质学家

月球探测车玉兔号的主要任务之一,是探测雨海着陆区的月球地质情况。它的车身上携带了四种主要考察装备,分别是全景摄像机(panoramic camera)、探月雷达(LPR,lunar penetrating radar)、可视-近红外成像光谱仪(VNIS,Visible–Near Infrared Spectrometer),以及粒子激发X射线光谱仪(APXS,Active Particle-Induced X-ray Spectrometer)。这些设备是兔子的“眼”和“耳朵”。利用全景相机,玉兔可以拍摄它所看到得“野外现象”,直观地告诉人们它在月球上都看到了什么;而测月雷达更可以将探索的“目光”深入到肉眼无法观测的地下,通过向地表之下发射无线电脉冲信号,来探测地下的结构。这听上去颇有点像在地球本土上利用地震波来探测地球深部结构,但两者的本质却是截然不同的:玉兔向月球表面之下发射的是电磁波而并非机械波(声波)。当电磁波在地下传播到不同物质层的接触面时,两种物质之间介电常数的差异会在接触面上把一部分电磁波反射回地表,当反射波被玉兔车身上所装载的雷达接收到时,玉兔便可以“听到”地下都有些什么样的地质结构了。

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【艺术家笔下的玉兔号月球车在C1陨击坑周边缓缓前进的场景。它的车辙卷起月球表面平静的风化层,前方的太空背景中,地球的蓝色身影似乎触手可及。图片来源:link2universe.net】

在玉兔号月球车登陆之前,只有美国的阿波罗计划(Project Apollo)和苏联的月球计划(Луна)开展过月球地质调查任务(Lunatic Geologic Mission)。与这些上世纪中期的任务都不同,嫦娥三号着陆在了雨海盆地里一套爱拉托逊纪的溢流玄武岩上,它的形成年龄和前两者相比是距今最新的,因此有望获得关于月球近期历史最详实的实地资料。因此,在介绍玉兔的工作前,不妨先来简单回顾一下月球整体的历史纪年吧。

以十亿年为单位的编年史

月球没有板块构造系统和浓密的大气层,意味着月球上无法孕育出丰富而复杂的内动力和外动力地质作用,因此比起地球来,它的地质演化史可能要略显单调一些。但单调的故事终究也是故事,正如地球的演化史被人类划分为不同的地质年代一样,在月球研究中,人类同样编了一个“年谱”,来记录我们头顶的这颗卫星在它“生命历程”中所经历的演化大事件。根据上世纪中叶以来所积累的月球地质资料,人们将整个月球地质年代划分为五个纪元,分别是前酒神纪(Pre-Nectarian)、酒神纪(Nectarian)、雨海纪(Imbrian)、爱拉托逊纪(Eratosthenian)和哥白尼纪(Copernican)。

这五个地质年代并非囊括了月球的全部历史。在月球的第一纪元——前酒神纪之前,还有一段语焉不详的“历史黑域”。这段更加深远的时光从月球诞生开始,直到它完全凝固为一个坚硬的岩石星球为止。在此期间,月亮尚未凝固,无法留下稳定的地质记录来供人们探索、追溯。这段时光虽然极近模糊,但根据现有的行星科学理论,却无疑是一场最为波澜壮阔的史诗: 45亿年前,那是整个太阳系尚刚刚诞生不久的原行星盘时代,月球在一场天崩地裂中迎来了自身的诞生。当下的主流的月球成因理论认为:彼时,地球和附近的另一颗古老的原行星——忒伊亚(Theia)之间发生了惨烈的撞击。行星忒伊亚被彻底摧毁;而地球则遍体鳞伤地存活了下来。在撞击中,两个行星的残骸惨烈地迸向四周,有些飞向了茫茫太空一去不返,有些则有幸留在了地球的引力圈内。这些留在引力圈内的残骸最终如滚雪球般融为一体,融合为了太阳系内带唯一的大型卫星——月球。

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【艺术家笔下的大冲击理论印象。地球与原行星忒伊亚的相撞迸发出大量碎屑,留在地球引力圈内的碎屑在随后短时间内迅速汇聚为月球。图片来源:NASA/JPL-Caltech】

在月球诞生之初,无数破片间的撞击、融合所汇集起的能量,足以产生极高的温度。使得此时的月亮,成为一团悬浮在地球上空的通红“火球”(当然了刚经历过大撞击的地球在那时也一样…)。浸沐在冰冷的宇宙中的火球不可能一直热下去,它终归要慢慢地冷却下来。作为一个岩石星球或者干脆说作为一个由地球参与孕育的卫星,它和地球一样由氧、硅、铝、铁、钙、镁六大主量元素组成。在岩浆尚未冷凝时,元素们会根据各自的比重在月球内部排出一个由深到浅的座次——较重的纯铁沉入月球中心,汇聚为月核;然后剩下的一些铁和镁一起,结晶为橄榄石(Olivine,(Mg, Fe)2SiO4)和辉石族矿物(比如斜方辉石,Orthopyroxene,(Mg, Fe)SiO3)两类主要的硅酸盐,从而形成月幔;当月核和月幔的形成大量消耗掉岩浆中的镁和铁之后,剩余的上层岩浆便基本只剩下钙、铝、硅、氧这四种元素了,它们用化学键相互连接,结晶为一种叫做钙长石(Anorthite,CaAl2Si2O8)的晶体。当钙长石白花花地铺满整个月亮表层之后,便形成我们在地球上所看到的月亮上最明亮的部分——月陆了。

以月陆的完全凝固为标志,月球史进入了真正可以著书立说的“显学时代”,前酒神纪,就在45亿年前的这个时刻,拨动了它最初的时针。

前酒神纪这个名称命名于著名的月海——酒神海(Mare Nectaris)。所谓月海,是指月球上喷出的熔岩充填先前形成的陨击坑后凝固而成的较为平坦地貌。在月球研究中往往根据不同陨击坑的叠覆关系来判断相互之间的新老。科学家已经定量地测得酒神海陨击盆地(注意不是酒神海本身。后者是指充填这个陨击盆地的熔岩地貌)的年龄在约39亿年-41亿年之间。但酒神海周边存在着大量没被人类定量“照顾到”的小陨坑,但是,只要它们的轮廓被酒神海陨击盆地的边缘轮廓所交截覆盖,我们最起码可以知道那些陨坑的形成年代至少比酒神海陨击盆地要老。根据这个直观的逻辑,人们便可以“一个摞一个”地追索出月球上密密麻麻陨坑形成的先后关系。从月壳凝固那刻开始,所有被酒神海陨击盆地所叠覆的陨坑所代表的陨击事件,都被划进了前酒神纪里。

接下来的酒神纪,被定义为以酒神海陨击盆地的形成为起点,以雨海陨击盆地形成为终点的这么一段时期。这段时期大致从41亿年前开始,持续到约39亿年前结束。这两三亿年的时光对月球来说是一段“很不堪回首”的灾难时期。太阳系早期,土星、木星、以及无数的小行星都挤在离太阳比较近的地方。随着太阳系渐渐趋向稳定,巨行星要向外侧迁移,在迁移过程中它们互相之间引发了复杂的轨道共振效应,将无数的小型天体从身边高速甩开。这些小天体密密麻麻地飞进太阳系内带,对所有的内带天体进行了一场无差别的高频度陨击。今日月球上大部分的陨坑,都是在这场被人们称为后期重轰炸(Late Heavy Bombardment)的密集陨击中留下的,因此,这段时期便有一个更为形象的名字——月球灾难(Lunar Cataclysm)。

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【艺术家笔下后期重轰炸时期的地球景象。此画作反应的是学界的另一种观点——冷原始地球(Cool early earth)。此观点认为38亿年前地球其实已经具有了凝固的地壳,且地表温度足以保证地面上富集大规模的液相水,并溶解各种原始有机质,形成孕育生命的“原始汤”。图片来源:Dana Berry/NG】

紧接着酒神纪的雨海纪,是月球年代中唯一一个下分到“世”(Epoch)一级的时间单位:它以雨海陨击盆地形成(约39亿年)为起点,又可内分为早雨海世和晚雨海世,早晚两个世代的分界线大致处在38亿年左右。在早雨海世,后期重轰炸事件终于停止,地球也差不多是在这个时候完成了固化;但进入晚雨海世之后,月球却迎来了自凝固以来空前活跃的一段地质时期:频繁的火山喷发,催生了这个星球表面的绝大部分玄武岩。究其原因,有人认为月球地幔本身还不太凉,可以更高效地诱发岩浆喷溢;有人则认为是先前密集的后期重轰炸为月球带来了额外的内能、激活了月幔、同时也撞薄了月壳的厚度…总之结果就是,月表上确确实实喷出了大量的熔岩。由于熔岩是流体,“水往低处流”;之前频繁撞击时所产生的大陨坑便成了一个个接熔岩的盆子,当流入陨击盆地里的熔岩慢慢凝固成黑色的玄武岩之后,便形成了今日我们在地球上看到的月亮上的暗色部分——月海了。

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明亮的原始斜长岩月陆与由熔岩充填陨击盆地而形成的暗色月海,构成了我们对月亮的最经典印象。图片拍摄者:Gregory H. Revera

32亿年前,雨海纪终于画上休止符。此时,月球已经基本变得彻底消停了。一方面,巨行星们已经大致就位,该甩开的小天体基本甩得差不多,再也没有后期重轰炸那种太阳系级的陨石豪雨来骚扰内带行星了;另一方面,随着月球自身缓慢冷却和大量岩浆的输出,地质活跃程度已经大为减弱,以至于雨海纪之后,除了偶尔飞上去的陨石和一些零零散散的小喷发外,基本上也就没什么了。于是人们大笔一挥,在随后整整32亿年的寂寥时间中就划了一个界线,分出一个爱拉托逊纪和一个哥白尼纪。这两个纪的划分相当不甚了了,由于缺乏精确的放射性年代学体系制约,人们甚至利用陨石坑的视觉特征比如射纹系统(Ray system)来确定起了年代。可想而知,这样粗略的定义自然是“科学界至今依然争论不休”的潜台词。总之,月球的地质年代表跟地球相比,似乎正好翻了个个儿。在月球那边,时间越老,事件反而被刻画得越精细;而离现在越近,历史的划分反而越粗略了。这显然和常理有悖:按理说一次地质事件越新,被后期改造破坏的可能性就越小,从而更容易保存越丰富的信息啊,可为什么三四十亿年前的时代都能划到“世”这么一级,而在距今最近的哥白尼纪里,反而只有跨度十亿年的寥寥一笔呢?回答其实很简单:尽管月球确实早期活跃后期平静,但再不活跃的历史终归也是历史,归根结底——还是我们的勘探程度太低了。

不难看出,整个月球史,其实是在以十亿年(Gyr)为单位来进行描述的。由于人类对月球的了解程度尚为很低,用十亿年这样的单位也算是现实无奈。这样有有一个好处就是,在和“十亿年”这个天文单位相匹配的事件尺度——比如大冲击、星体分异,后期重轰炸,月海喷溢——这些跨度本身就很大的事件上,可以起到比较好的制约作用。但正如上面所述,地质年代表理应是一个离现在越近细节就越丰富的系统,拿地球举例,在5.4亿年前的前寒武历史里,随便一个事件动辄都要上千万年;而往近处说,最新的第四纪历史里,用一万年当单位甚至都有点粗略了——整个全新世还不到2万年呢。

于是,要想在月球演化史的研究中真正迈出前进步伐,提高时间和空间尺度的分辨率是关键。谁能做到这一点,谁就能在接下来继续在月球上迈出“一大步”。故事讲到这里,我们的玉兔,便登上聚焦的舞台了。

不,要在意那些细节

玉兔在雨海的勘探,直接涵盖了从充填雨海盆地的深层熔岩溢流——到最表层薄薄三四米的最新陨击事件记录。它之所以能够获得如此精细的成果,主要可归功于它车身装载的测月雷达。前文说过,该仪器主要靠电磁波传播时介电常数的变化来反应地面以下的情况。玉兔是一只很聪明的兔子,它事先有准备地搭载了两套频率截然不同的雷达系统。两套频道分别接受不同频率的电磁波,一套接收60MHz的较低频段,利用长波段在介质中衰减慢、行程长的特点,专门探测高频波谱“下不去”的深层结构;而另一个频道则专门接收500MHz的较高频,这种短波段虽然衰减快,穿不了太深(只能分辨月表下12米左右),但却可以在它能触及到的浅层结构内显著提高分辨率,从而显示异常精细的微观结构。这个双频道、双尺度的思路,可以说相当好地解决了地质事件无论在时间还是空间尺度下都在逐级细化的特征,即兼顾了年代久远的大尺度结构,又能够解析年代较新的精细结构,为最优解决雨海的地质构成问题奠定了技术基础。

通过对月球发回的原始电磁波信号进行可视化处理并进一步进行地质学解译,我们的科学家们发现,在电磁波所触及到的这短短400m里,竟然汇集了近乎32亿年以来的全部历史遗迹:在50m以下到400m之深的地区,坐落着悠久而巨厚的雨海玄武岩——虽然这些部分埋在月面以下,但却和我们在地球上所肉眼能看到的月亮上的黑色斑块是一个东西。类似的溢流玄武岩其实在地球上也能找到,中国的峨眉山大火成岩省就是一个2.6亿年前的地球“土特产”。溢流玄武岩层是镁铁质熔岩凝固的产物,这种熔岩黏度小,流动性强,因此以大面积的平铺、层层摞置为主要特征,完全不是平时一提到熔岩就很容易想到的火山锥状样貌。研究团队在深埋于地下的雨海玄武岩间,还解读出了4套火山碎屑岩夹层和4套风化壳,如果不告诉你这是月面之下的话,我想这个剖面完全可以以假乱真地扮作任何一个地球本土的大火成岩省了。

由浅至深,在数百米的雨海玄武岩之上,地质结构慢慢变得精细了起来。从50m处直至地表下三四米的地方,坐落的是另一层明显较薄也没有太多内部分层的致密玄武岩。由于这套玄武岩和前人研究资料、以及嫦娥三号通过遥感雷达所探测到的月表爱拉托逊纪玄武岩具有良好的物理一致性、因此被解释为同一套熔岩在地下的延伸部分。还记得开头说道的嫦娥降落在C1陨击坑东边缘吗?陨击坑的形成免不了要在地表迸溅出一层向外辐射的“陨击毯”。这层约有1-4米厚的陨击毯结构,在玉兔的短波频道上被精细地刻画了出来。而在陨击毯的最上部——也就是月球的最表层,则是一层风化的月壤。这层月壤的结构就用不着雷达探测啦,玉兔直接打开它的全景相机,给自己拍个“到此一游”就好了。咦,看上去车辙翻出来的月壤的反射率似乎比没动过的表层要深一些?——可能是因为下层沉积物颗粒要比最表层的大一些,所谓正粒序而已;等等,怎么在照片上又显示有几条非常明亮的直线状结构?——哈,不过是阳光斜射到地表的不规则起伏中所偶然表现出的形貌罢了。

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【根据玉兔所收集的雷达信息而绘制的C1陨击坑下部构造剖面图。据Xiao et al. (2015)修改。】

描述倒是完成了,可这么一套精细的局部地质数据究竟有什么用呢。我们知道,无论任何一个星球,地质的第一特征永远是非均质性——每一个局部,都有可能携带着完全不一样的信息,甚至是在极小面积内才独有的珍贵资源(还记得月球上的克里普地体吗)。不一个个小区块地搞好“普查勘探”,怎么又谈得上全面认知这个我们最近的邻居呢?另一方面,只有把一个地方的地质环境摸熟了,才能为后续月球探测任务做好“开路工作”。随着研究的进展,需求说不定随时都会产生,但数据却已经踏踏实实地掌握在手了。而这一切,都归功于那个踏足在38万公里开外的小小的月球车上。

这里是玉兔所在的地方——雨海。没有雨也没有海,只有冰冷的玄武岩和没有生机的日光。稀薄的大气,甚至连丝丝的电流声也无法传达。在这么一个死寂的世界,一只神话般的玉兔,在陌生的土地上行走着。她并不是在捣药,它是一位地质学家。在未知的天外,在繁星如海的宇宙背景中,孤独而骄傲地记录着未知的大地的点滴。它俯身那个遥远的世界,勾勒出月球一笔一划的历史;它仰望回我们深蓝色的家园,勾勒出我们一笔一划的未来。

记住她吧。中国历史上第一个外星体地质实测任务。哪怕未来有一天走向群星,嫦娥三号和玉兔,也是一座矗立在原点的、永不磨灭的丰碑。

参考文献

  1. Xiao, L., Zhu, P., Fang, G., Xiao, Z., Zou, Y., Zhao, J., Zhao, N., Yuan, Y., Qiao, L., Zhang, X., 2015. A young multilayered terrane of the northern Mare Imbrium revealed by Chang’E-3 mission. Science 347, 1226-1229.

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本文首发于果壳网-科学人栏目:月球上的地质学家:玉兔数据登上《科学》杂志

 

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5 Responses to “月球上的地质学家:玉兔数据登上《科学》杂志”

  1. a说道:

    这篇挺有意思。

    玉兔的雷达探测,美苏以前做过么,那时候雷达性能怎么样?

    • Deep说道:

      显然,科技总是在进步的,玉兔的装备肯定和美苏以前的装备有代差

  2. apo说道:

    然而轮子还是不能动

  3. hzh说道:

    比起勇气号机遇号好奇号如何?

  4. imarin说道:

    dddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddddd