科学家解开了围绕月球不平衡地质的长期谜团

大约45亿年前，一颗小行星撞上了年轻的地球，将熔岩抛入太空。慢慢地，碎片合并、冷却并凝固，形成了我们的月球。关于地球和月球如何形成的这一设想得到了大多数科学家的广泛认可。但亚利桑那大学月球与行星实验室的研究人员在《自然地球科学》杂志上发表了一篇论文，他们表示，具体发生的细节“更像是一本选择你自己的冒险小说”。

这些发现为了解月球内部的演化以及地球或火星等行星的演化提供了重要的见解。

关于月球起源的大部分了解都来自对阿波罗宇航员50多年前收集的岩石样本的分析，并结合理论模型。从月球带回的玄武岩熔岩样本显示出惊人的高浓度钛。后来的卫星观测发现，这些富含钛的火山岩主要位于月球的近侧，但它们如何以及为何到达那里仍然是一个谜——直到现在。

由于月球形成得又快又热，它很可能被全球岩浆海洋覆盖。随着熔岩逐渐冷却和凝固，它形成了月球的地幔和我们在晚上仰望满月时看到的明亮的地壳。但在地表深处，这颗年轻的卫星严重失去了平衡。模型表明，岩浆海洋的最后残渣结晶成致密矿物，包括钛铁矿(一种含有钛和铁的矿物)。

“因为这些重矿物比下面的地幔密度更大，所以会产生重力不稳定，你会预计这一层会更深地沉入月球内部，”领导这项研究的梁伟刚说，这是他在LPL博士工作的一部分。

不知何故，在接下来的几千年里，这种致密的物质确实沉入内部，与地幔混合，融化并以我们今天在地表看到的富钛熔岩流的形式返回地表。

“我们的月球确实把自己翻了个底朝天，”合著者、LPL副教授杰夫·安德鲁斯·汉纳(JeffAndrews-Hanna)说。“但几乎没有任何物证可以阐明月球历史这一关键阶段事件的确切顺序，而且对于所发生的事情的细节存在很多分歧——从字面上看。”

“没有证据，你可以选择你最喜欢的模型。每个模型对我们月球的地质演化都具有深远的影响，”共同主要作者、柏林德国航空航天中心的阿德里安·布罗奎特(AdrienBroquet)说，他在博士后期间完成了这项工作。LPL研究员。

在由北京大学张楠(也是最新论文的合著者)领导的之前的一项研究中，模型预测地壳下致密的富钛材料层首先迁移到月球的近侧，可能是由远侧的巨大撞击引发的，然后以片状板块的网络形式沉入月球内部，几乎像瀑布一样倾泻到月球内部。但当这种物质下沉时，它在地壳下留下了一小块由致密富钛物质组成的相交线性体几何图案的残余物。

安德鲁斯-汉纳说：“当我们看到这些模型预测时，就像灯泡亮了一样，因为当我们观察月球重力场的微妙变化时，我们看到了完全相同的模式，揭示了潜伏在月球下方的致密物质网络。地壳。”

在这项新研究中，作者将下沉的富含钛铁矿层的模拟与NASAGRAIL任务检测到的一组线性重力异常进行了比较，该任务的两艘航天器在2011年至2012年间绕月飞行，测量了其引力的微小变化。这些线性异常现象围绕着月球近侧广阔的黑暗区域，该区域被称为“mare”(拉丁语“海”)的火山流覆盖。

作者发现，GRAIL任务测量的重力特征与钛铁矿层模拟一致，并且重力场可用于绘制大部分致密层下沉后留下的钛铁矿残余物的分布。

“我们的分析表明，模型和数据讲述的故事非常一致，”梁说。“钛铁矿材料迁移到近侧，并以片状瀑布的形式沉入内部，留下了导致月球重力场异常的痕迹，正如GRAIL所看到的那样。”

研究小组的观察也限制了这一事件的发生时间：线性重力异常被近侧最大和最古老的撞击盆地打断，因此一定是更早形成的。基于这些交叉关系，作者认为富含钛铁矿的层在42.2亿年前就下沉了，这与它促成了后来在月球表面看到的火山活动是一致的。

布罗奎特说：“分析月球重力场的这些变化使我们能够窥视月球表面，看看下面有什么。”他与梁合作证明了月球重力场的异常现象与月球区域的预期相符。月球翻转计算机模拟模型预测的致密富钛材料。

不平衡的月亮

虽然对月球重力异常的探测提供了月球内部致密层下沉的证据，并可以更精确地估计这一事件发生的方式和时间，但我们在月球表面看到的情况更加令人好奇。据研究小组称，这个故事。

安德鲁斯-汉纳说：“从根本上来说，月球在各个方面都是不平衡的。”他解释说，面向地球的近侧，特别是被称为OceanusProcellarum区域的黑暗区域，海拔较低，地壳较薄，大部分被熔岩流动，含有高浓度的典型稀有元素，如钛和钍。

远端在这些方面都不同。不知何故，月幔的翻转被认为与近侧Procellarum地区的独特结构和历史有关。但这一颠覆的细节一直是科学家们争论不休的问题。

“我们的工作将月球内部结构的地球物理证据与其演化的计算机模型联系起来，”梁补充道。

安德鲁斯-汉纳说：“我们第一次有物理证据向我们展示月球内部在其演化的这个关键阶段发生了什么，这真的很令人兴奋。”“事实证明，月球最早的历史是写在地表以下的，只需正确组合模型和数据就可以揭开这个故事。”

布罗奎特说：“早期月球演化的遗迹如今存在于地壳下方，这令人着迷。”“未来的任务，例如地震网络，将有助于更好地研究这些结构的几何形状。”

梁补充道：“当阿耳忒弥斯号宇航员最终登陆月球，开始人类探索的新时代时，我们对我们的邻居的理解将会与阿波罗号宇航员第一次踏上月球时截然不同。”