月球演化史：探索《天文学教程上册》

由于月球较小且缺乏大气和水圈作用，月球的地质过程较地球简单得多。依据绕月飞船的探测以及采回的月球样品分析等资料的综合研究，月球的主要地质过程是陨击和火山活动，也有构造活动、块体坡移及流星体和宇宙粒子直接撞击的风化。从月球样品的放射性同位素含量可以得出它们的绝对年龄；用地质学的叠置原理和切割关系，可以得出月球表面各地质单元形成的先后次序——相对年龄。于是，可以把样品所在单元的相对年龄标定为绝对年龄，进而推定月球表面各地质单元的年龄。归纳出的月球演化史轮廓示于图5-46。从其表层遗留下来的片段记录和理论研究，可以概要总结出月球起源演化简史。

图5-46　月球的陨击和岩浆活动

1—月球形成；2—岩浆洋凝固；3—高地平均年龄；4—东海、雨海盆地形成；5—Appllo 11与17月海；6—Luna 16月海：7—Luna 24月海：8—Apollo 15月海：9—Apollo12月海：10—晚期雨海流：11—哥白尼陨击；12—第谷陨击

1）月球的起源

1880年，乔治·H.达尔文（G.H.Darwin，著名生物学家C.Darwin的次子）提出，月球是从地球分裂出去的。随后，论述月球起源的文献越来越多，在争论中不断发展，概括起来有三类：①分裂假说（Fission Hypothesis）认为，地球早期呈熔融态，自转快，加上太阳的引潮作用，地球赤道区物质出现隆起，发生自转不稳定性而分裂出去的一部分聚集而形成月球，2010年初又提出了一种新的分裂假说——核爆炸说（论述地球自身的一次核爆炸而从地球分离出去的）；②俘获假说（Capture Hypothesis）认为，地球和月球各自形成于太阳星云的不同部位，当月球运行到地球附近被地球俘获而成为地球的卫星；③共同吸积假说（Coaccretion Hypothesis）认为，在地球吸积期形成环绕地球的盘，盘物质聚集而形成月球，或者通俗地说，地球和月球是共同吸积形成的“双行星”。也有人提出过兼顾的多个假说，这些假说的主要问题是难于解释地月系角动量及月球贫铁，现今已被扬弃。20世纪70年代，有人提出月球起源的巨撞击假说（Giant Impact Hypothesis，GIH），直到1984年的月球起源讨论会评论各种月球形成理论后，撞击理论才引起重视，新的撞击模拟在很多关键问题上取得重要进展，开始探索更符合地球和月球的化学和物理性质的模型。

基于行星形成“标准”模型和月球起源的资料（质量、角动量、轨道、成分、年龄等）约束，人们对巨撞击假说进行了一系列计算机模拟。月球起源模型必须符合地球和月球的动力学特性与总成分性质的以下关键约束：①地球、月球的质量和地月系角动量的大小；②月球的轨道演化，潮汐相互作用使月球轨道变大和地球自转减慢，暗示月球形成时离地球很近、当时地球自转很快，有效的撞击至少把约20%的角动量分配到轨道上的原月球物质；③相对于地球而言，月球与地幔成分的相似远多于差异，月球匮乏挥发元素和铁等金属，而富集难熔元素，有效撞击应同时说明它们成分的相似性和差异；④低密度的月壳浮在几百千米深的“岩浆海”顶上，因此，在月球起源中必须提供足够热量；⑤月球和地球的年龄及形成期间的约束，月球年龄约44.2亿年，地球年龄为45.4亿年，以及前述Hf-W年龄的时标约束——月球形成时间为2.5千万～3千万年。

美国女天文物理学家Robin M.Canup的一系列撞击模拟形成月球的一个满意结果如图5-47所示。弹体和靶（原地球）为0.13 ME和0.89 ME（ME为地球质量），撞击参数b≡sinξ=0.7（ξ是弹体轨迹与靶表面法线的交角）；撞击前，原地球逆向自转，自转周期为18 h。图示几个时间情况，深灰标示温度T＞6400 K。最后地球-盘系含1.01 ME，角动量等于现在地月系角动量［见图5-47（e）］。图5-47（f）是地球最终热状态的特写，深灰环之内是吸积进地核的弹体铁核。弹体原来物质几乎在原轨迹面上形成拉长结构［见图5-47（b）］。这些物质经历开普勒运动，缠绕为旋臂［见图5-47（c）］。弹体的铁核物质再撞入地球，引力矩使得臂外部获得角动量，到达轨道［见图5-47（d）］。绕转盘含1.4 MM［MM为月球质量，见图5-47（e）］，有7%铁和85%的弹体物质。50%质点的轨道近地点在洛希限外。最终盘含有一个约0.5 MM的完整独立团从而聚集成为月球前身。近地点在洛希限内的团丛约20 h内被潮汐瓦解。

图5-47　弹体巨撞击原地球而抛出物聚集过程的模拟（距离单位为1000 km）

模拟质点追溯到弹体和原地球，盘物质大多来自弹体前部的撞击交面区。得到满足约束的模拟结果都与此类似，75%～90%盘物质来自弹体。总之，模拟得到以下结果：①引力矩和撞击几何是原月球物质盘的主导因素；②巨撞击显示一致的动力学趋势，撞击参数b≥0.5的低速撞击一般产生显著的盘物质，在0.5≤b～0.8范围内，盘质量、角动量和铁都随b增大；③形成月球的典型情况是b约为0.7的低速撞击，弹体占总质量的0.1～0.15，在形成月球事件后，地球还吸积小于等于0.05 MM的质量；④原月球物质大部分（75%～90%）来自轨道接近洛希半径aR或其外的弹体物质；⑤簇或盘的某些模拟见到了含月球质量相当部分的一些簇。

模拟得出，初始盘至少在1星期内就扁化和黏滞扩展，不足1年后就形成0.85 MM、轨道半长径为1.4 aR绕转的大月球。模拟得到的月球与盘的质量比（MM／MD）普遍符合下式：

式中，LD是盘的角动量，Mesc是逃逸质量。模拟得到月球吸积时间比辐射冷却时间短得多。月球的单位质量吸积能足以加热冷硅酸盐到熔点。因此，月球起初是热熔融的，产生岩浆海。

巨撞击的最新模拟允许角动量损失并得到合理的氧同位素，可分为标准的、小的、大的撞击体三类（见图5-48）。

图5-48　形成月球的巨撞击三种新模型例子

（a）标准撞击体，地球最终质量的10%；（b）小撞击体，地球最终质量的5%；（c）大撞击体，近于地球最终质量

Cuk和Steward的一系列模拟采用小弹体撞击快速自转的原地球，产生主要来自地幔物质的盘并形成月球。后来，由共振损失角动量而达现状。他们总结得出，宽范围的撞击角和速度可产生所需特征的月球盘。过多的角动量如何转移掉？通过模拟地月系的早期潮汐演化，包括相互进动、月球和地球的潮汐及太阳的摄动，发现当月球近地点进动周期等于地球轨道周期时，发生月球与太阳之间的“出差共振”，可以相当多地减少地月系角动量。

Canup的新模拟产生更热的盘，含50%～90%质量的蒸汽，盘质量也大。新模拟可以消除弹体与靶体之间的成分不匹配以及地球与盘在撞击后的平衡问题；但产生的地球与盘的系统角动量大于现在的地月系角动量，这需要月球形成后经俘获到“出差共振”转移走角动量。

巨撞击理论可以最合理地解释地月系的角动量和月球的异常成分特性，得到以下结论：

（1）现代数值模拟技术继续支持较早的研究结果，发现在形成类地行星体系中可以有形成月球的多种潜在撞击。

（2）弹体撞击原地球时适当的单次巨撞击而产生原月球盘，近似地具有地月系的、或更大些的总质量和角动量。撞击参数是一个关键约束，可以产生足够大质量的贫铁月球。

（3）撞击产生的物质吸积到单个月球，中心大致处在洛希限外的绕转物质通常聚集为单个的月球。

（4）月球轨道倾角起因于太阳共振，盘矩也起一定作用。虽然一些巨撞击模拟很成功，但有相当宽的参数范围，在符合月球和地球的物理性质等方面还有些问题需要深入研究。

2）月球形成初期——岩浆海

由于月球吸积形成过程很快，尤其后吸积的物质受到增长月球的强引力，释放的更大引力势能转化为热能而积累（吸积热），使月球外部几百千米内的物质发生熔融，成为岩浆海，更易发生重力分异，重成分下沉到内部，轻成分上浮到表层。随着表层向外空的辐射而在5000万～1亿年逐渐冷却，固结为越来越厚的低密度斜长石月壳，即观测到浅色（亮的）初始高地月壳。月壳深处和月幔含更多的较重物质，如辉石和橄榄石。同时，月球内部也发生分异，月幔岩石中的铁等重物质分离并下沉，形成月核。早期的熔融或部分熔融的月核可以产生相当强的古磁场。

3）大陨击与盆地(https://www.xing528.com)

月球的吸积形成过程不是立即终止的，而是逐渐减弱的，月壳基本形成后，仍受到残余星子的陨击，在月壳上产生陨击坑，破坏初始的月壳，尤其是大星子陨击产生盆地，陨击抛出物覆盖大部分古老的月壳，形成月壤。在此时期，木星轨道向内迁移，其引力摄动使小行星区的星子甚至外区的含冰星子轨道发生很大改变，有很多进入地球和月球的引力范围并发生高速撞击，产生陨击盆地，称为“晚期严重陨击（LHB）”。随后，木星轨道向外迁移而大星子的陨击减少，近38亿年以来就没有产生盆地，只有小规模陨击坑。陨击能量使岩石破碎和熔融为角砾岩。飞船采回样品的分析得出，盆地形成于距今40亿～38亿年。由于初期月壳薄和后来陨击及火山活动改造，缺乏更早陨击盆地的遗迹，因而对晚期严重陨击之前的实际陨击情况还有疑义。

4）火山活动与月海填充

虽然月球表面因为向外空的热辐射损失能量而冷却，但下面有铀和钍放射性元素长期衰变的能量加热，还有陨击和重力分异过程释放的势能加热，所以下月壳和月幔至少是部分熔融的，形成一些岩浆库。岩浆沿着陨击造成的裂隙上涌和喷出，形成火山活动，熔岩流泛滥，填充盆地底部，很快冷凝结晶为玄武岩的月海，也填充一些老陨击坑。不同区域、不同时间、不同深度喷出的岩浆在成分上有些差别，因而它们结晶的玄武岩可以分为富钛、低钛、甚低钛、富铝、富KREEP^[2]等几类。以“火喷泉”形式喷发的岩浆滴迅速冷凝，生成大量绿色和橙色的火山玻璃球。月球演化过程如图5-49所示。

图5-49　月球演化过程

形成盆地的大陨击使月壳变薄并产生裂隙，为大规模火山活动创造了条件，随后在距今38亿到31亿年乃至更晚，下面的岩浆上涌，断续地发生多次火山喷发，延续20多亿年甚至更久。随着月球内部的冷却，火山活动逐渐减弱到停止。

图5-50给出了月球岩浆海、月壳和月幔的演化历程。

5）近期的演化

图5-50　月球岩浆海、月壳和月幔的演化历程

月球外部1000 km的简化地质剖面表明：①岩浆海部分结晶的演化形成富橄榄石的残存月幔和富斜长石的月壳；②月壳的陨击角砾化（巨月壤和月壤）；③约43亿年前，由于月幔建立矿物带，较后的部分熔融和形成化学上不同的玄武岩熔岩。注意：时间标度仅是定性的。

近十亿年来，月球的地质活动大为减弱，除了几次较大的陨击形成哥白尼坑、第谷坑、开普勒坑等有醒目辐射纹的陨击坑外，主要是小规模的流星体陨击而剥蚀月球表面，以及宇宙线、太阳辐射和太阳风的“宇宙风化”改造，在一些地方，风化层可能超过15 m，还出现小规模的火山活动迹象和月震。此外，就是近几十年来飞船的造访遗迹，包括宇航员的足迹。

作为概况，月球的地质历史也可以简单地分为四个阶段（见图5-51）：

阶段Ⅰ　月球的形成初期

吸积形成的初始月球有岩浆海，外部冷凝为越来越厚的初始斜长岩月壳，残余星子陨落造成月球表面疤痕累累。

阶段Ⅱ　前酒海系和酒海系

距今44亿年到39.2亿年，月壳继续遭受大量陨击。一些大陨击造成大型盆地，破坏初始月壳，促使下面的玄武岩浆喷发，填充盆地内部而成为月海；而小陨击产生陨击坑。较新的陨击破坏和改造先前的月表，留下暴风洋、酒海及大陨击坑等遗迹。

阶段Ⅲ　雨海系

距今39.2亿年到32亿年，陨击很快减弱，仅产生38亿年前的雨海、东海几个盆地和很多陨击坑，而玄武岩浆火山活动在很长时期多次喷发，覆盖部分较老表面，包括老的月海。

阶段Ⅳ　爱拉托逊系和哥白尼系

距今32亿年以来，玄武岩浆火山活动大为减弱，规模较大的火山到20亿年前就终止了，以后仅有小规模活动。陨击也大为减少，仅产生诸如爱拉托逊坑、哥白尼坑、第谷坑、开普勒坑等较大的陨击坑，尤其是最年轻陨击的新鲜抛出物沉积的亮辐射纹甚为醒目。

图5-51　月球的地质历史概况

与地球经历严重的演化而丧失其早期遗迹不同，月球的演化程度较小，保存了很多演化遗迹，尤其是月球形成和早期演化遗迹，为探索地球的形成和早期演化提供了重要线索。例如，直到1946年科学家才确认和命名地球上第一个陨击坑——美国的巴林杰陨石坑，由于严重的地质过程破坏了地球上的古老陨击坑，现在识别的地球陨击坑还不到200个。正是从月球以及水星和火星的大量陨击坑和陨击盆地，尤其是古老的坑和盆地，人们才认识到陨击是类地行星（包括地球）早期的主要地质过程，因而需要修改传统的地质学。地球比月球大且引力场很强，按同样陨击率推算，地球应当有直径为20 km以上的陨击坑近2万个。

【注释】

[1]1毫伽=1厘米／秒2

[2]KREEP表示钾（K）、稀土元素（REE）和磷（P）。