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【前沿报道】Nature Geoscience:月球起源与地球岩浆洋
2019-05-13 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  新的模拟结果显示,在遭受巨大?#19981;?#24418;成月球时,地球表面覆盖着岩浆洋。月球组成中包含的地球物质?#29616;?#21069;推测的要更多。

  千百年来,人类对月球的起源充满了好奇。目前学界广泛接受的理论是“大碰撞”(Giant Impact)假说,即一个火星大小的星体碰撞地球产生的碎屑物形成了月球。近日,日本横滨地球科学研究所的Natsuki Hosono及其合作者在Nature Geoscience发文报道了他们利用计算机模拟计算大碰撞过程的相关结果,认为月球起源来源于地球早期的某?#38395;?#25758;过程,当时地球外层?#24418;?#22266;结,而是处于大规模的熔融状态,即所谓的岩浆洋状态,相关结果更好地解释了地球和月球成分上的相似性。

  要想追溯月球的起源,我们能够倚仗的证据主要有两方面,一方面是物理学上的证据,包括但不限于月球的质量、地月的距离和轨道、地月系统的角动量等条件,另一方面是化学组成上的证据,如地球和月球上不同元素的含量、各种同位素的比例等(Canup2014)。通过计算模型分析不同形成条件下地月系统的相关?#38382;?#24773;况,并与现有的观测数据进行对比,可以?#34892;?#22320;判断月球的可能起源。 

  传统的大碰撞假说认为,地球与一颗火星大小的?#19981;?#20307;发生碰撞,月球的物质组成主要来自于该?#19981;?#20307;的硅酸岩部分(Melosh,2019)。但随着对地月系统样品分析的不断深入,尤其是同位素分析精度的不断提高,科学家发现地球和月球的绝大多数同位素组成几乎完全相同。要知道,同位素组?#19978;?#24403;于星体的指纹,对星体的形成条件,早期过程等极为敏?#23567;?#22320;月之间同位素组成的高度一致要求这?#25945;?#20307;具有相同的组成物质来源或在形成过程中经历了充分的混合,这是传统的大碰撞模型?#23721;?#23436;美解释的 

1  a)利用光滑粒子法模拟大?#19981;?#36807;程;(b)包含岩浆洋的原始地球?#19981;?#27169;型(上两行)与固结地球?#19981;?#27169;拟(下两行)的对比(Hosono et al., 2019)。图中不同颜色的粒子代表了不同的来源,在?#19981;?#20135;生的碎屑盘中,包含岩浆洋的原始地球?#19981;?#27169;型指示了更高的地球物质比例    

  与前人的研究不同,Hosono等人认为,在大碰撞发生的时刻,地球表面?#28304;?#20110;大规模熔融的岩浆洋状态。他们利用特别处理后的光滑粒子法(SPH, Smoothed Particle Hydrodynamics Method)来?#28304;?#30896;撞过程进行模拟(图1)。一方面,他们改进了高密度梯度情况下的处理模式以更好的处理行星表面、?#37240;?#36793;界等密度不连续界面的变化情况;另一方面,为了适应大量处于熔融状态的?#19981;?#36807;程,他们在模拟过程采用了更符合熔体特征的状态方程。模拟结果显示,在地表?#28304;?#20110;岩浆洋状态的情况下,由于硅酸盐熔体具有更高的可压缩性,在?#19981;?#21518;具有更高的温度,更容易脱离地球表面,因此?#19981;?#20135;生的碎屑盘中具有更高比例的地球物质(2),从而有助于解释地球和月球之间同位素组成的高度一致性。此外,岩浆洋中较高的FeO含量也有助于解释月球样品中更高的FeO含量。 

2  不同模型条件下地球物质的比例(Hosono et al., 2019)。圆点代表包含岩浆洋的原始地球?#19981;鰨?#21313;字叉代表固结地球的?#19981;?#27169;拟,不同颜色则代表了改变了高密度梯度处理模式的模型(DISPH)和原有模型(SSPH)的对比。总的来说,包含岩浆洋的模型预测了更高的地球物质比例,而改变高密度梯度情况下的处理模式可以进一?#25945;?#39640;地球物质的比例    

  值得注意的是,尽管Hosono等人的工作为解释地月体系具有相似的同位素组成提供了重要支持,但月球大碰撞假说还需要进一步得到样品的验证。特别是当前我们倚仗的月球成?#20013;?#24687;主要来自于月球浅表样品的分析,真正深部来源的信息还很匮乏,从而制约了对全月球的化学组成和同位素比值的可靠约束和对模型结果的准确判断。月球表面的一些?#19981;?#22353;,如月球南极深达13公里的艾特肯?#19981;?#30406;地,可以暴露出月球深部的物质,从而为探索月球深部的元素含量和同位素组成提供了绝佳的机会。当前,嫦娥四号和玉兔二号正在那里工作,未来我国还将执行月球南极的采样返回任务,这些工作将对月球的起源提供重要制约。

    

  主要参考文献 

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

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

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

  (撰稿:张驰/地星室)

 
 
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