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林紅磊等-NSR:玉兔2號探測到橄榄石蘇長岩,可能形成自月球上最大規模小行星撞擊産生的岩漿湖
2019-11-22 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  基于玉兔2號在前三個月晝對月球背面多處月壤和一塊石塊的可見-紅外光譜探測數據,中科院地質與地球物理研究所林楊挺研究員團隊發現,所探測石塊爲橄榄石蘇長岩,很可能是在撞擊形成的岩漿湖中經分異結晶而形成。  

  1.背景及意義 

  根據月球岩漿洋假說,月球形成之後被~800 km厚的全球性矽酸鹽岩漿覆蓋,然後通過分異結晶,形成了礦物組成分層的月幔和月殼,自下而上分別爲富鎂橄榄石、斜方輝石、含鈣輝石和斜長石等。晚期結晶的物質位于上層,但由于富含鐵、钛,密度較大,有可能因重力失衡而下沈,從而引發物質翻轉,改變了月幔的原始分層結構。因此,探測月球深部的組成對于限定月球的形成曆史至關重要。 

  位于月球背面的南極-艾肯(SPA)盆地深達13公裏,正是探測月球下月殼甚至上月幔的天然窗口。它又是月球上最古老的撞擊盆地,對于認識月球-地球系統的早期撞擊曆史也具有重要意義。正因如此,嫦娥四號探測器選擇在SPA盆地著陸,並開展探測,這是人類對月球深部物質和SPA盆地構造的第一次就位探測(圖1)。 

1 嫦娥四號探測器著陸區地質背景及玉兔2號月球車前三月晝行進路線。著陸區的月壤均勻,石塊很少

  2.9處月壤和1塊岩石 

  在工作的前三個月晝,玉兔2號月球車搭載的可見-紅外成像光譜儀沿巡視路徑,對9個位置月壤和1块石块进行了光谱探测。基于这些光谱数据,可以解译出它们的矿物组成、太空风化程度等信息(圖2)。 

  研究發現,巡視區的月壤成分較爲均勻,主要由輝石、長石和熔融膠結物等組成,含少量橄榄石,其中輝石以低鈣輝石爲主。由于著陸區的月壤很可能從東北方向的芬森(Finsen)撞擊坑抛射過來,該成分代表了芬森坑挖掘的SPA盆地的基底物質。 

  但是,由月壤光譜數據反演得到的組成很難對SPA盆地原始基底岩石的特征做更多限定。一方面,岩石粉碎成月壤後,原有岩石結構信息基本被破壞;另一方面,月壤形成過程中的強烈太空風化,産生了撞擊熔融玻璃和納米鐵等,並很大程度抹除了礦物的光譜特征,給礦物組成估算帶來顯著的不確定性。 

  除月壤之外,玉兔2號首次對月球表面的石塊進行了原位光譜測定。該石塊大于20 cm,落在月壤表面。根據玉兔2号搭载的高分辨相机拍摄的圖像(空间分辨率约为0.6 mm/像素),該石塊表面無法清楚地看出顆粒,表明石塊的礦物顆粒較細,屬于中等-細粒的岩石結構,可能是從較淺的岩漿中快速結晶形成的。該石塊的光譜特征與月壤相似,表明二者可能是同源物質。但是,石塊的礦物吸收峰很明顯,可給出比月壤更可靠的礦物組成,包括38.1±5.4%低鈣輝石、13.9±5.1% 橄榄石和48.0±3.1% 斜長石,並據此劃分爲橄榄石蘇長岩。 

2  玉兔2號攜帶的可見-红外成像光谱仪在任务期间前三个月昼所测圖像和光谱    

  3.石塊中的月球往日 

  這塊月球石頭中的礦物顆粒較小,所以它不可能是在月球深部緩慢結晶形成的深成岩。也就是說,它不是下月殼或上月幔的原始岩石。據研究者分析,在隕石撞擊形成SPA盆地的過程中,巨大的撞擊能量使下月殼與上月幔的物質發生混合熔融,在SPA盆地中形成了一个岩浆湖,而這塊石头以及与之同源的月壤母岩,很可能就是从这个岩浆湖中分异结晶而成的 

  這一分析與SPA盆地的撞擊模擬一致。模擬表明,SPA盆地尺度的撞擊事件將産生直徑840 km的瞬態空腔和深度約50 km的岩漿湖。芬森坑和嫦娥四號著陸區均位于該岩漿湖的邊緣。這與玉兔2號看到的石塊呈中細粒結構相一致    

  研究成果發表于NSR。(林紅磊, 何志平, 楊蔚, 林楊挺*, 徐睿, 張弛, 祝夢華, 常睿, 張金海, 李春來, 林宏宇, 劉洋, 芶盛, 魏勇, 胡森, 薛長斌, 楊建峰, 鍾傑, 付曉輝, 萬衛星, 鄒永廖. Olivine-norite rock detected by the lunar rover Yutu-2 likely crystallized from the SPA impact melt pool[J]. National Science Review, 2019. DOI: 10.1093/nsr/nwz183)(原文鏈接 

 
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