《自然》:月幔里可能有什么?嫦娥四号发现了新线索

《自然》:月幔里可能有什么?嫦娥四号发现了新线索

首发于个人公众号“永结无情游相期邈云汉”(haibaraemily_planets)


2019年1月3日,中国的嫦娥四号月球探测器顺利软着陆于月球背面的南极-艾特肯盆地(SPA)中的冯·卡门撞击坑内,并于当天晚上释放月球车玉兔二号,成为世界上首个着陆月球背面的着陆器和巡视器。

(左)月球背面的南极-艾特肯盆地(直径约2500公里)和冯·卡门撞击坑(直径约186公里)。底图数据来自LROC WAC;(右)嫦娥四号着陆区(东经177.5991°,南纬45.4446°,地势相比于月球平均半径1737.4公里低了5935米),后被国际天文联合会IAU批准命名为天河基地。底图数据来自CE-2 COM。


玉兔二号从此开始了月球背面的巡游之旅——它利用自身携带的多种科学仪器,一步一步一个脚印地对月球背面进行着深入探测(前情提要和仪器介绍参见:兔二醒来,两器互拍!真正的探险才刚刚开始!)。

月球车玉兔二号(左)和着陆器嫦娥四号(又)。来源:中国探月工程


就在今天(2019年5月16日)凌晨,国际科学期刊《自然》(Nature)在线发布了由中国科学院国家天文台李春来研究员为首的中国科学院国家天文台、中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院地球化学研究所的多位科学家们利用玉兔二号第1个月昼的光谱探测数据获得的初步成果,为揭示上月幔物质组成的科学难题带来了新的线索[1]。



月幔里有什么?


我们从小就知道,地球不是一颗从内到外均质的“土豆”,而是有着壳、幔核等多层内部结构的“鸡蛋”。事实上,不仅是地球,月球、火星、水星、金星这样的大型固态天体全都是这样。

放错图了,溜…©Yuki

那月球的壳、幔、核分别是由什么物质组成的呢?既然大家都经历了相似的热分异过程,原本又都是岩质天体,因此人们推测,月核里有大量铁镍金属,月壳和月幔主要是硅酸盐。


不过壳和幔层的成分有啥区别?硅酸盐都是些个硅酸啥啥啥?具体到每颗岩质天体,差别还挺大的。举个栗子,地壳(陆壳)的平均成分更接近于安山岩(最上层主要是花岗岩);而原始月壳则大部分由亮色的斜长岩组成——这也是我们如今在月球上看到的亮色高地的颜色。


月球上的亮色区域主要是斜长石(斜长岩90%以上的成分是斜长石)的颜色。底图来源:LROC


但这个问题也真挺难解答的。

月壳还好说些,毕竟暴露在外面。望远镜和探测器可以给月球表面拍照;各种遥感仪器可以探测到月球表面的矿物成分;来自月球的陨石、阿波罗和月球号任务采样带回来的月球岩石和土壤样本,都能帮助天文学家们推测和约束月壳的组成…


但再往深里的月幔就很难说了…神马?挖出来看看?别闹,迄今为止咱们连地壳都还没能挖穿了一探地幔的究竟呢,何况是遥远的月球…


重力场和月震研究可以帮一些忙。这些观测和分析可以粗略地“透视”地下,告诉我们月球内部分了多少层,每层有多厚,每层的平均密度是多少。知道月幔的平均密度,对可能有啥成分多多少少也能有点约束…比如…甭管啥组成,总体平均下来月幔的密度肯定要比月壳高(废话!)


1969-1972年,阿波罗11-17号登月任务在月球表面安装了5台月震仪,共记录下了12558次月震,这些数据大大加深了我们对月球内部的分层和每层平均密度的认识▼

(左)阿波罗任务在月球上安置的几个月震仪,其中Apollo 11仅工作了三周就坏了,Apollo 17处安置了一个重力仪。来源:[2];(右)月球内部结构,近月面四个绿色点(A12/14,A15,A16)表示阿波罗号四个月震仪的纬度。来源:[3]


对月球岩浆海洋假说的理论研究[4,5]对地球的地幔物质的认识也能给我们提供不少参考:于是有一种矿物人们猜测月幔里应该有——那就是橄榄石。地质和地球物理学家们认为,大型固态天体在形成之初的时候,很可能都经历过一个极其炙热的“冶炼炉”时期,热到把岩石都熔融了的程度…于是在那时候的岩质天体上可能会形成全球性的“岩浆海洋”。而天文地质学家们接着有一种观点认为[5]:月幔和地幔一样,里面很可能是有不少橄榄石存在的,因为这应当是岩浆海洋冷却分异的过程中最先结晶出来的物质之一

橄榄岩(左)中含有大量的橄榄石(右)。橄榄石晶体是一种硅酸镁铁矿物。来源:©于大锤,维基


如果这种观点是正确的,那么上月幔里应当有不少橄榄石。但问题是,如何验证这一点呢?


答案是:等待大自然的鬼斧神工把一些来自上月幔的物质带上月表。


橄榄石去哪儿了?


月海玄武岩可以提供一些参考。


橄榄石和常常与之伴生的辉石矿物中都含有镁和铁,而被认为来自月幔的玄武岩,也因为相比于亮色的高地物质(斜长石)有着较高的橄榄石和辉石成分,而呈现出镁铁质的暗黑色——这就是如今的我们在月球上看到的这些被称为“月海”区域暗黑色的由来。

月球上的暗色区域主要是玄武岩的颜色。底图来源:LROC


但是呢,这些玄武岩中的橄榄石并不是月幔演化历史早期结晶形成的“原生”橄榄石,因为这些玄武岩是后来来自月幔的岩浆随着火山活动上涌到月表之后,再冷却结晶固化形成的,而且月幔物质在上涌的过程中本身也会不断发生演化。所以最终形成的月海玄武岩只能帮助我们推测月幔成分,并不能等同于月幔成分。不过,我们还是基本上能确定月幔里有比月壳更加富镁铁质的物质

月海玄武岩来自月幔的岩浆上涌。不过图里的月球分层结构只是目前的猜想中的一种。改编自:[6]


大型撞击盆地也能提供很多线索。小行星和彗星的撞击可以挖掘出大量原本掩埋在地表以下的物质——撞击规模越大,挖掘得就越深。也就是说,月球上的一些大型撞击形成的盆地,就很可能能撞穿月壳,直接把经过月幔翻转被带到月幔上层的原生月幔物质挖出来。


重力场观测数据间接证实了这种可能性。2011年发射的NASA GRAIL探测器,获得了高精度的月球全球重力场数据。通过这些数据,我们可以估算月壳的厚度分布。结果显示,月球上的一些大型撞击盆地中的月壳非常薄,有些地方(莫斯科海、危海中)甚至近乎于0。这么薄的月壳意味着当年的小行星撞击很可能撞穿了这些地方的月壳,把上月幔物质挖掘和抛射到了月球表面[7]。


GRAIL重力数据估算的月壳厚度(参数选择:月壳孔隙率12%,月幔平均密度3220 kg/m^3)。来源:[7]


遥感数据也确实在月球上的大型撞击盆地附近发现了一些富橄榄石区域,这些橄榄石就很可能来自月幔[8]。这一发现也似乎可以和重力数据互为佐证。

日本的月亮女神号探测器在红色正方形标记的地方明确发现了富橄榄石的光谱信号。来源:[8]


这些暴露出来的富橄榄石物质,相比于月球早期密集的撞击和大型撞击盆地的规模来说,好像还是少了点。如果上月幔真的富橄榄石的话,似乎应该遍布在月球表面…的样子唉…


于是有些天文地质学家也提出了另一种猜测:会不会…其实月球的上月幔里本来就是低钙辉石(LCP)为主,压根没有什么橄榄石呢?[9]这样尽管上月幔的物质被大型撞击盆地挖掘出来飞溅到了月球表面各个地方,但因为这些溅射物里本来就没什么橄榄石,所以才只找到这么点。


总之,上月幔里真的富含橄榄石么?如果不是,又含有什么成分呢?如果是的,这些橄榄石又去了哪里,为什么月表这么少呢?


嫦娥四号探测器给出了新的线索。




嫦娥四号着陆区可能发现了橄榄石


嫦娥四号的着陆区——直径约2500公里的南极-艾特肯盆地是月球上最大、最古老的撞击盆地,这意味着它也是月球上最可能挖掘出月幔物质的撞击盆地之一


但之前的研究都没有在南极-艾特肯盆地内部找到橄榄石的迹象。


早在1994年的克莱门汀探测器,就已经发现南极-艾特肯盆地一带略微有点富铁(相比于月球高地)。



克莱门汀的紫外/可见光相机和近红外CCD相机获取的月球表面铁元素丰度分布。来源:NASA/LPI


但富铁还不意味着富橄榄石,毕竟天文地质学家们已经知道,南极-艾特肯盆地一带的非玄武岩区域里含有大量斜方辉石(Opx,也叫低钙辉石LCP)——辉石也是富铁的呀。


再之后更精确的遥感光谱观测,也只在这一带的两个撞击地貌——薛定谔盆地和塞曼撞击坑中发现过富橄榄石的区域——但这两个地方都位于南极-艾特坑盆地的外围。

日本的月亮女神号探测器在红色正方形标记的地方明确发现了富橄榄石的光谱信号。来源:[8]


2019年1月3日-1月12日,月球车玉兔二号携带的由中国科学院上海技术物理研究所研制的红外成像光谱仪(VNIS),在第1个月昼里对沿途的两处探测点(CE4_0015和CE4_0016)的土壤进行了光谱探测。

玉兔二号第一个月昼的巡视轨迹(左)和两处开展了光谱成分探测的区域(右)。来源:[1]


这两个探测点的光谱数据表明:嫦娥四号着陆区第1个月昼里获取的光谱数据与位于雨海盆地中的嫦娥三号着陆区光谱明显不同


1)玉兔二号探测区的反射光谱图中吸收峰较弱,光谱线斜率也更大(也就是所谓的“光谱偏红”),表明嫦娥四号着陆区比嫦娥三号着陆区表面受到了更强的空间风化作用


嫦娥四号0015和0016号探测点的反射光谱数据和嫦娥三号0008号探测点的对比。如果看不懂的话,知道嫦娥四号的光谱线斜率更大就可以了~来源:[1]


2)嫦娥四号着陆区矿物的光谱吸收特征显示着陆区一带的镁铁质组分中可能含有显著的低钙辉石(LCP)和橄榄石(OL)成分,而月海玄武岩典型的组分单斜辉石(Cpx,或者叫高钙辉石HCP的相对含量却不高。表明这里和月海玄武岩的成分有很大差别,而是更接近于月球高地成分。

归一化处理之后的反射率趋势可以明显看到1微米和2微米处镁铁质组分特征性的吸收峰,其拟合结果与低钙辉石和橄榄石为主的混合成分吻合。来源:[1]


橄榄石从何处来?


这些可能的橄榄石是从哪里来的?反推起来其实也没那么容易。


要知道,虽然嫦娥四号着陆于南极-艾特肯盆地中,但出于着陆安全的考虑,具体的着陆区却位于冯·卡门撞击坑中一片平坦的玄武岩覆盖区域,也就是说,这里的镁铁质组分里似乎应当以高钙辉石(HCP)为主才对呀。


作者给出的解释是:来自位于冯·卡门撞击坑东北方向的芬森撞击坑的溅射物


也就是说,是long long ago一颗小行星撞击月球表面形成了直径约72公里的芬森撞击坑的同时,挖掘和溅射出来的物质辐射状飞溅开来,飞到了冯·卡门撞击坑内原本被玄武岩覆盖的区域之上。事实上,不管在可见光影像还是光谱数据中,都可以在嫦娥四号着陆区一带看到与玄武岩背景明显不同的来自芬森撞击坑的溅射物。

右图这个亮线,就是来自芬森撞击坑的溅射物的颜色。浅蓝色区域标注的范围是玄武岩覆盖区域。底图数据来自CE-2 DOM


总之,嫦娥四号着陆区一带不仅仅有原本的玄武岩,还有来自芬森撞击坑的镁铁质物质


那来自芬森撞击坑的这些富低钙辉石和橄榄石的物质又是哪里来的呢?


作者给出的一种可能性是:来自南极-艾特肯盆地一带的上月幔。也就是说,可能是一颗很大的小行星撞击月球表面形成巨大的南极-艾特肯盆地的同时带来的月球深部物质。这些原本来自上月幔的物质,最终经由芬森撞击坑的挖掘抛射过程飞到了嫦娥四号着陆区一带[10]。如果是这样的话,很可能上月幔也会含有大量的低钙辉石和橄榄石成分。


不过,这并不是唯一的可能性,作者也给出了另一种可能性,那就是这些低钙辉石和橄榄石也有可能并不是来自上月幔原本的“原生矿物”,而是在后来撞击产生的熔融物质中分异结晶出来的产物[11]。



步履不停


一转眼五个多月过去了,嫦娥四号和玉兔二号已经顺利完成了5个月昼的科学观测,获得了丰硕的科学成果。而这篇论文,才仅仅是第1个月昼里的红外成像光谱仪(VNIS)这一个仪器的初步探测结果——还有大量的科学数据等待天文地质学家们去解译和探索。


而玉兔二号也不会停下它的脚步。至今一切健康的玉兔二号,还会继续走的更远,看到更多月球背面的风景,也探索更多这片神秘土地的奥秘。




参考资料

[1] Li, C., Liu, D., Liu, B., et al. (2019). Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials. doi.org/10.1038/s41586-

[2] Kawamura, T., N. Kobayashi, S. Tanaka, and P. Lognonné (2015), Lunar SurfaceGravimeter as a lunar seismometer: Investigation of a new source of seismic information on the Moon. J. Geophys. Res. Planets, 120, 343–358. doi: 10.1002/2014JE004724.

[3] Wieczorek, M.A., B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P.Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K. Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J. Gillis, B. Bussey (2006), The Constitution and Structure of the Lunar Interior. Reviews on Mineralogy and Geochemistry, v.60, p. 325.

[4] Shearer, C. K., Hess, P. C., Wieczorek, M. A., Pritchard, M. E., Parmentier, E. M., Borg, L. E., ... & Canup, R. M. (2006). Thermal and magmatic evolution of the Moon. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 60(1), 365-518.

[5] Lucey, P. (2010). Mantle of the Moon exposed?. NatureGeoscience, 3(8), 517.

[6] minerva.union.edu/hollo

[7] Wieczorek, M. A., Neumann, G. A., Nimmo, F., Kiefer, W. S., Taylor, G. J., Melosh, H. J., ... &Konopliv, A. S. (2013). The crust of the Moon as seen by GRAIL. Science,339(6120), 671-675.

[8] Yamamoto, S., Nakamura, R., Matsunaga, T., Ogawa, Y., Ishihara, Y., Morota, T.,... & Haruyama, J.(2010). Possible mantle origin of olivine around lunar impact basins detected by SELENE. Nature Geoscience, 3(8), 533.

[9] Melosh, H. J., Kendall, J., Horgan, B., Johnson, B. C., Bowling, T., Lucey, P. G., & Taylor, G. J. (2017). South Pole–Aitken basin ejecta reveal the Moon’s upper mantle. Geology, 45(12), 1063-1066.

[10] Patrick Pinet. (2019). Nature. nature.com/articles/d41

[11] Vaughan, W. M., & Head, J. W. (2014). Impact melt differentiation in the South Pole-Aitken basin: Some observations and speculations. Planetary and Space Science, 91, 101-106.

编辑于 2019-05-16

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