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NG:基于重力数据获取的月壳孔隙度记录月表撞击成坑历史
2022-08-25 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  天体之间的碰撞活动是整个太阳系内非常普遍的现象,尤其是在太阳系形成后的10亿年内,这种撞击活动最活跃。研究早期的撞击活动对我们探索系内行星宜居性 (Wiggins et al., 2022)、大陆地壳起源 (Johnson et al., 2022) 以及大气层演化具有重要指导意义。但由于强烈的风化作用和板块运动,地球上的撞击记录保存很少。幸运地是,月球上的撞击记录保存得比较完整,且与地球的撞击物来源非常相似。因此,研究月球的撞击历史可以为研究太阳系类地行星的撞击历史提供参考和借鉴。目前研究月球的撞击成坑历史的主要手段是基于遥感观测的撞击坑统计定年法和Apollo返回样品的年龄数据,据此形成了两种撞击通量模型:指数衰减的撞击通量模型与4.1-3.8 Ga的晚期重轰炸模型。但由于撞击活动的空间重叠性,后来的撞击事件可能覆盖先前形成的撞击坑,因此这种统计方法会低估撞击通量,进而影响撞击定年准确性。 

  2011NASA (美国宇航局)发射的月球重力卫星(Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL)获取了全月高分辨率重力场(图1, 并给出了全球高精度月壳厚度和孔隙度模型 (e.g., Wieczorek et al., 2013)。该数据为识别早期隐伏撞击坑,修正撞击通量提供了重力学约束 (e.g., Neumann et al., 2015) 

1 NASA的重力恢复与内部结构研究实验室(GRAIL)使用两颗卫星测量月球重力场概念图 (图片来源:NASA/JPL-Caltech) 

  研究发现:相对于年轻撞击盆地(直径200 km的撞击坑称为撞击盆地),月球上古老撞击盆地的壳层孔隙度小,这是由于古老的撞击盆地经历了更长时间的后期小撞击事件,这些小撞击事件会压实月壳孔隙 (Wahl et al., 2020)。基于这一事实,麻省理工学院博士后Ya Huei Huang (2022)及其合作者基于重力数据获取的月壳孔隙度模型,统计了月球高地撞击坑密度与月壳孔隙度之间的关系,据此重建月球的撞击成坑历史与月壳孔隙度演变历史。 

  Huang et al. (2022)的研究结果表明:N(20)(直径大于20 km的撞击坑的密度)与月壳孔隙度之间表现为负相关,而N(200)与月壳孔隙度之间表现为正相关(图2)。这表明大型撞击活动能够增大月壳孔隙度,而小型撞击活动则会压实月壳。然后作者建立了一个分析模型,模拟了整个月壳孔隙度的演化。模型设置初始月壳孔隙度为10%,通过调整大型盆地的形成时间顺序,最终得到了最符合现今观测的月壳孔隙度的模型。从模拟的结果来看,月壳平均孔隙率经历了先增大后减小的过程:早期的大型撞击活动增大月壳孔隙度,最高达到20%,后期的撞击事件不断压实月壳孔隙,直至现今月壳孔隙度~9%(图3)。然而,作者并没有给出月壳孔隙率先增大后减小的物理机制,而GRAIL反演得到的月壳孔隙度也没有考虑上覆压力对孔隙闭合的影响,这样的孔隙度模型会高估撞击坑的数量。此外,模型的结果表明月球大部分撞击盆地是在4.3~4.1 Ga期间形成的,较晚期重轰炸假说的时期早;由孔隙度模型反推的撞击坑密度表明,月球接受的小尺度撞击(20~200 km撞击坑)的总量是先前统计值的2倍(图4)。但是,由孔隙度模型推测的撞击坑年龄的方法在很大程度上受所使用的撞击通量模型的影响。 

2 月球高地壳层孔隙度(a)与撞击坑密度(b)。白圆圈是未定年的撞击坑,黑色圆圈是定年的撞击坑。注意风暴洋、南极-艾特肯盆地以及月壳密度梯度小于5 kg m-3 km-1的区域被排除(Huang et al., 2022

3 现今月壳孔隙度(a)SPA形成时期的月壳孔隙度模拟结果(b) Huang et al., 2022

4 月球一部分撞击盆地(a)根据观测孔隙度模型计算撞击坑密度N(20)的值,(b)符合观测的孔隙度模型的盆地年龄统计。黑色圆代表根据孔隙度模型计算的结果,粉色圆代表撞击坑统计结果,橙色的粗线代表Apollo样品获得的盆地年龄(Huang et al., 2022

  Huang的工作为我们研究月球的地质年代演化提供了一种重要的地球物理手段 (Xiao, 2022)。此外,近期Nature Communications上面的一篇文章通过研究月球撞击历史与孔隙率演化历史来揭示月球可能的生命起源环境;研究发现早期的撞击活动可以增大壳层孔隙度,进而增大孔隙水与岩石之间的接触面积,加快化学反应速率,为生命起源提供足够的能量 (Wiggins et al., 2022)。这种方法同样也可以指导我们探索水星、火星等类地行星的撞击历史与生命起源环境。     

  主要参考文献 

  Huang Y H, Soderblom J M, Minton D A, et al. Bombardment history of the Moon constrained by crustal porosity[J]. Nature Geoscience, 2022, 15(7): 531-535.原文链接 

  Johnson T E, Kirkland C L, Lu Y, et al. Giant impacts and the origin and evolution of continents[J]. Nature, 2022, 608(7922): 330-335. 

  Neumann G A, Zuber M T, Wieczorek M A, et al. Lunar impact basins revealed by Gravity Recovery and Interior Laboratory measurements[J]. Science Advances, 2015, 1(9): e1500852. 

  Wahl D, Wieczorek M A, Wünnemann K, et al. Crustal porosity of lunar impact basins[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2020, 125(4): e2019JE006335. 

  Wieczorek M A, Neumann G A, Nimmo F, et al. The crust of the Moon as seen by GRAIL[J]. Science, 2013, 339(6120): 671-675. 

  Wiggins S E, Johnson B C, Collins G S, et al. Widespread impact-generated porosity in early planetary crusts[J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1-6. 

  Xiao Z. Moon’s crustal porosity records impact history[J]. Nature Geoscience, 2022, 15: 512-513. 

  (撰稿:姜衍,徐长仪/地星室)

 
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