月壳幔缺“铁”之谜,有了新解释!

|· 本文来自“我是科学家”·|

我们的月球,已经默默陪伴地球度过了四十多亿年时光。人们无时不刻关注着月球,想要揭开她诞生以及演变的秘密。

今天(北京时间2019年7月11日),澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室的祝梦华副教授及其同事,在《自然》杂志发表了他们的最新成果[1],重新追溯了月球早期的演化历史。

先天贫“铁”的月壳幔

人们发现,当今月球的外层(壳幔层)是极度贫“铁”的,更准确的说,是缺少铁镍金属以及高度亲铁的元素。它和其他大型固态天体一样,都经历过早期的“热分异”过程,全球都是炽热的“岩浆海洋”,原本的亲铁元素都随着较重的铁镍金属一起“沉”入了内部,形成内核。

这也是我们熟悉的水星、金星、地球、月球和火星有金属核的原因。

大型岩质天体热分异的大致过程。又双叒叕见这张万能的图orz | 制图:haibaraemily

而且,月球先天铁就很少。人们早就发现,同样是固态天体,月球的密度却只有地球的60%,究其原因,其实就是月球的铁核相比于地球要小得多。这一显而易见的事实也是支持月球大撞击起源的一大有力证据。

大撞击假说(Giant Impact Hypothesis)是迄今为止最被广为接受的一种月球起源学说。

45亿年前的一天,一颗火星大小的天体从天而降,倾斜撞向了尚未完全长成的“雏形”地球。剧烈的撞击迅速粉碎和融化了这个火星大小的天体,也把地球的一部分物质撞了出来。这些碎屑物质散落在地球四周,又通过引力和碰撞重新聚集吸积起来,形成了如今的月球[2, 3]

大撞击假说的假想图 | 来源:museumvictoria.com.au

如果这个假说是真的,那么大撞击发生的时候,地球应当已经完成了热分异——也就是说,地球内的铁核已经形成了。而这次大撞击只是剥下了一部分贫铁的地壳和地幔而已,这些物质再和原本可能携带着正常铁含量的撞击体碎屑一混合,就把月球的铁含量生生给拉低了。

不过,“先天贫铁”未必会让月壳幔的亲铁元素比地壳幔低很多——因为成形之后的月球也必定经历了热分异,亲铁元素也基本上被“拖”入了内核。简单来说呢,就是月壳幔的亲铁元素含量和地壳幔里的应该差不多,基本都没剩什么。

但事实并非如此,来自月球和地球岩石样本都显示,月壳幔和地壳幔里都还是有一定含量的亲铁元素的。

这又是咋回事?

后期吸积,还能再补救一下

原因很简单:因为它们并不是在40亿年前左右完成了热分异就完事儿了,大家都还在不断“进化”。沉进去自然是留不下来的,但是还可以从外界补给呀。

在地核和月核形成之后,太阳系内的剧烈撞击并没有停止,大量的小行星和彗星不断撞击地球和月球的表面,给它们带来了大量外来“补给”,其中就可能有水和有机物,也会带来各种亲铁元素——这个过程叫作“后期吸积”。

也就是说,月壳幔和地壳幔里的亲铁元素含量很大程度上反映的并不是它们的原生含量,而是后期吸积过程的结果。

那么月球和地球在后期吸积过程中获得的“补给”是一样多的么?当然不是。

即使它们一直受到相同类群的小天体撞击,被撞上的概率也是完全不同的——地球的引力更大,也就更容易被撞上,这个“难易”比例大约是20:1 [4]。被小行星撞上,对如今的我们来说不是什么好事,但对40多亿年前的地球来说,却是带来活力和生命之源的“天降宝藏”。

照这个比例来粗略估算的话,地球后期受到的撞击“补给”大约是月球的20倍。

然而,通过月球和地球岩石样本里的高度亲铁元素含量来反推的结果完全不是这样:如果我们假设这些外来的撞击体平均成分和太阳系中最为广泛存在的一种古老陨石——球粒陨石的成分差不多,那么地球后期受到的“撞击补给”可比月球多多了——大约是月球的1200倍[5]

动力学撞击概率与地球化学测量,差异如此之大,到底哪里出了问题?

一个很自然的推理是:会不会地球实际受到的撞击比理论估计的要多得多?除了原本因为引力差异造成的20倍差异之外,会不会还有某些尺寸的小行星因为某种原因特别喜欢撞地球?或者,会不会是地月系统受到的小行星撞击量曾经发生过突变?[5-7]

而祝梦华及其同事则给出了另一种可能的思路:未必是对“补给”量的估计出了问题,也可能是对“留存”量的估计出了问题。

来是来了,但未必都能留下

撞上地球和月球的撞击体(小行星/彗星)都能留下来么?地球的引力大、逃逸速度小,基本都能留下来,但月球的“留货”能力可就差多了。之前的估算一般认为地球的留存率是百分之百,而月球的留存率大约在50-60%[5, 7],至于实际是多少,其实谁也不知道……

为此,祝梦华及其同事们通过计算机模拟了不同速度不同角度的撞击下月球的“留货”能力撞击物的留存比例,结果表明:

  • 高入射角(直射)的撞击比低入射角(倾斜入射)的留存比例高;
     
  • 大撞击体则比小撞击体的留存比例低。

以15 km/s的撞击速度为例,不同入射角和大小的撞击体留存在月球上的质量比例。来源:[1]

这倒也挺符合我们的直观感受的。

低入射角(倾斜入射)的撞击体,撞完之后的撞击体物质会散的更开,再加上月球的引力又小,逃逸速度也小,这些散开的撞击体物质就更容易逃离月球,只有很少一部分能留下来;反过来,高入射角(直射)的撞击体就给力多了,撞完之后的撞击体物质会更集中,跑掉的也少得多。

低入射角(倾斜入射)和高入射角(直射)撞击的物质分布对比示意图。来源:Nature [8]

大撞击体会产生规模更大、更猛烈的撞击,撞击体物质也能获得更高的能量(速度),更容易跑掉。

但每颗撞来的小行星/彗星的大小、速度都是随机的,对月球来说,撞击体的整体留存比例是多少呢?这就需要更大量的模拟实验了。

通过蒙特卡洛算法(一种通过大量重复计算机实验来模拟随机事件的方法)模拟了数百万次小天体在月球表面撞击成坑的过程,祝梦华及其同事们得到了其中的统计规律:

月球历史上的撞击物质留存比例大约在0.2-0.35之间,也就是说,只有约20-35%质量的撞击物最终留在了月球上——远低于之前认为的0.5-0.6。

 啥时候开始“留货”,可能和岩浆海洋的持续时间有关

而更准确的比例,则取决于月球的壳幔到底从何时开始留存这些撞来物质:如果是从月壳形成之初开始(约44.6亿年前),那么平均留存比例只有0.2,而如果是从35亿年前才开始的话,平均留存比例就能提升到0.35——越早开始,留下的总体比例就越少。

不同的“留货”起始时间至今的平均撞击体留存比例。来源:[1]

这也是和我们对月球的认知吻合的。

早期的太阳系里有很多大型撞击体(比如当年产生月球的撞击体,就有如今的火星那么大),但慢慢的,太阳系里逐渐趋于宁静,撞击体的个头和频率都变小了很多(所以现在地球上的我们基本不用担心被超大的小行星撞到啦)。最直观的例子,月球上目前保留下来的几十个大型撞击盆地,全部都形成于38亿年前,之后再也没有这么大的“飞来横祸”了。前面说过,越大的撞击体,留存比例越低,所以如果月球的壳幔很早就开始留存撞击物质,那么早期这些超大个儿的撞击体自然就会拉低月球的平均“留货”水平啦。

事实上,如果月壳幔从月壳刚开始形成(44.6亿年前)就拼命“留货”的话,按这个比例反推的地球后期受到的“撞击补给”就只有月球的约50倍了,和动力学估算的撞击概率(20倍)已经差不多了。

而如果月壳幔从43.5亿年前才开始“留货”的话,这两种途径估算的比例就更是几乎完全能吻合上了。

等等,那更早撞上月球的物质里的亲铁元素去哪儿了?那时候岩浆海洋还没完全固化,所以这些亲铁元素直接就沉入月核或者留在月幔深处了,没能在后来形成的壳幔中幸存。

也就是说,这一结果也表明月球的岩浆海洋结晶阶段可能持续了很长时间:从44.6亿年前刚开始形成月壳,一直持续到43.5亿年前才几乎完全固结(经历1亿多年)。

月球早期可能没少挨撞

如今的月球,还可以找到大约40-90个盆地或者疑似盆地结构。

月球上目前保存下来的盆地或者疑似盆地结构。来源:LPI [9]

但祝梦华及其同事们的模拟结果表明,整个月球历史上可能曾经产生过约300个撞击盆地(直径大于300公里的撞击结构)。

只不过,约200个都是形成于43.5亿年前,那时候岩浆海洋还没完全结晶固化,这些盆地自然也很难保存下来;约90个形成于41.5-43.5亿年前,这些古老的盆地也相对容易被侵蚀和“抹去”;只有约20个盆地形成于41.5亿年前到现在这段时间——这么算下来,300个盆地,只有50-70个能保存至今,和目前我们在月球上发现的盆地数目是吻合的。

总之,考虑到这届月球的“留货”能力不太给力,其实月壳幔中的亲铁元素含量那么低并不意味着月球受到的撞击特别少(或者说地球受到的撞击特别多)。恰恰相反,月球早期可能比人们原本预想的受到了更多的撞击,只是那些撞击带来的“补给”大都没有留下来。

结 语

今年是人类登月50周年。不得不承认,50年后的今天,我们对月球的很多方面依然了解有限,我们对月球的很多研究,依然要依靠50年前那些阿波罗任务带回的珍贵月球岩石样品(当然苏联的月球号样品和一些月球陨石也起到了很大作用)。

在极其有限的月球样品的制约之下,行星科学家们搜索枯肠,极尽巧思,利用新时代的科学工具和方法展开了各种研究,揭开了诸多关于月球的秘密。本文介绍的研究工作就是这样的一个例子。但不得不承认,这样的研究也亟待更多、更丰富的就位分析和样品采集来验证和拓展。

幸运的是,我们或许即将迎来新一轮探月热潮:我国的嫦娥四号如今正在月球表面展开探测工作,接下来的嫦娥五号、六号都将前往月球采集并带回样本。印度的月船2号、日本的SLIM任务,也计划着陆月球表面进行深入探测。

相信不远的将来,我们对月球早期尘封的历史会有更多更深入的认识。(编辑:Yuki)

【致谢】
本文感谢该研究的第一作者和主要完成人,祝梦华副教授的审稿。

参考文献:

  1. Zhu, M. H., et al. (2019). Reconstructing the late-accretion history of the Moon. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1359-0
  2. Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975).Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
  3. Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Originof the Moon in a giant impact near the end of the Earth’s formation. Nature,412(6848), 708.
  4. Bottke, William F., et al. “Can planetesimals left over from terrestrial planet formation produce the lunar Late Heavy Bombardment?.” Icarus190.1 (2007): 203-223.
  5. Bottke, W. F. et al. Stochastic late accretion to Earth, the Moon, and Mars. Science 330, 1527–1530 (2010).
  6. Schlichting, H. E., Warren, P. H. & Yin, Q.-Z. The last stages of terrestrial planet formation: dynamical friction and the late veneer. Astrophys. J. 752, 8–16 (2012).
  7. Morbidelli, A. et al. A sawtooth-like timeline for the first billion years of lunar bombardment. Earth Planet. Sci. Lett. 355-356, 144–151 (2012).
  8. Day, J. M. D., (2019). Low retention of impact material by the Moon. Nature.
  9. https://www.lpi.usra.edu/exploration/training/illustrations/bombardment/

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