考古地球的诞生,我们发现了它和月球的关系
现今地幔深部的异质体或为导致月球形成的大碰撞事件遗迹 图源:邓洪平和杭州思斐迩科技有限公司
邓洪平 |撰文
韩越扬 |编辑
地球已经45亿岁的高龄了。无数次天崩地裂、沧海横流的大事已隐入尘烟难觅踪影,但这或许不包括地球历史上最重大的事件——45亿年前的月球形成大碰撞。这一事件既是地球生长的终章又是漫长地质演化的起点。本期我们将介绍导致月球形成的大碰撞是如何塑造了地球演化的独特初始条件,以及深埋地球内部1000千米以下的大碰撞的可能遗迹。通过对这些遗迹的“考古”,我们可以了解到地球形成之初的样貌,和地球在早期太阳系中担当的角色,甚至地球何以演化成独一无二的宜居行星。
地球拥有一颗异常巨大的天然卫星——月球,其质量高达地球质量的1/80。 然而,与地球质量相近的金星却并没有卫星,火星倒是有两颗卫星,但卫星质量却不及其千万分之一。目前主流的学说认为月球是原初地球(Gaia)在生长末期与一颗火星大小的原行星(Theia)发生碰撞的结果,即大碰撞事件。碰撞后,溅射出的岩石碎片会围绕Gaia形成了一个碎片盘,月球就是从该碎片盘中逐渐聚合生长而来。这一理论不仅可以很好地解释月球的动力学性质和其独特的物质组成,还能与类地行星的碰撞生长理论相契合。然而,对大碰撞理论的挑战却先于证据到来了。
图1.艺术家印象图:导致恐龙灭绝的小天体碰撞时间所遗留下的希克苏鲁伯撞击坑(Chicxulub Crater) 图源:DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE SOURCE
然而,导致月球形成的大碰撞事件所蕴含的能量,约为导致恐龙灭绝的小天体撞击事件的一亿倍以上。如此高能的条件下,岩石的应力可以忽略不计,换而言之,大碰撞事件中的天体撞击过程接近于流体过程,撞击后根本不会形成简单的撞击坑。数值模拟显示,此次碰撞将整个地球撕裂并重塑(见视频1)。大碰撞模拟还预言月球主要继承了来自Theia的物质,而Gaia由于巨大的体量只被Theia带来的物质轻度混染。由于碰撞前, Gaia和Theia的形成相对独立,它们的成分也应有所不同;碰撞后,新形成的月球(Theia成分主导)和地球(Gaia成分主导)应当拥有不同的物质成分。出人意料的是,通过对阿波罗月球样品的高精度同位素分析,天体化学家发现地表物质和月球的成分高度相似,暗示了它们的同一起源。这一观测和理论的矛盾催生了后续多个改进的大碰撞模型,但它们均面临其他方面的挑战。
图2. 导致月球形成的大碰撞事件发生前(左图)后(右图)Theia和Gaia的物质分布。图中半径R标记了碰撞后地幔内部熵发生跃升的位置,圆圈外的上层地幔为熔融的岩浆洋而圈内下层地幔则主要是固体。月球形成大碰撞后,早期地球上下地幔的成分也在此处发生跳变。图源:Deng et al. 2019 ApJ 887 211
地幔中另一个令人瞩目的异常体,为地幔底部的两个异常区域(分别在非洲板块和太平洋板块下方),当地震波穿过它们时,地震波的波速明显降低。因此,这两块在地幔底部绵延几千公里的异常体被称为大型低速体(Large Low Velocity Provinces, LLVPs)。
加州理工学院的袁迁博士提出,LLVPs可由进入Gaia下地幔的少量Theia物质演化而来,并邀请笔者加入研究团队共同探索这一可能性。通过高精度大碰撞模拟,我们的研究团队发现与LLVPs质量相当的(约0.02倍地球质量)Theia地幔物质会进入到Gaia下层地幔。由于这些Theia地幔物质与月球岩石一样富集铁元素,所以比周围Gaia物质密度更高,因此将快速下沉至地幔底部,并在地幔的长期对流作用下形成两块显著的LLVPs区域,历经45亿年的地质演化仍稳定存在。
虽然不能像撞击坑一样轻易获得采样,但这些地幔深部的异质体也并非遥不可及。事实上,LLVPs可能和地幔柱的活动高度相关,而地幔柱可以将少量的深部异质体带到地表。通过研究冰岛岩浆岩样品中稀有气体的同位素比例,地球化学家发现这些样品包含异于普通地表物质的成分,代表了地幔深处年龄超过45亿年的异质体。未来,更为广泛深入的岩石样品分析结合更加准确的地球演化模型,将使得“考古”Gaia和Theia的残骸成为可能。
近年来,我国突飞猛进的探月计划将为此贡献关键的月球样品。通过对更为丰富的岩石样品的精确分析,结合更为完善的大碰撞模型、地球演化模型,我们不仅有望制约月球的形成理论还能更好地理解地球内部的物质循环。比如大型低速区对地幔的演化、地球的板块构造等均有重大影响,以至于影响到地球宜居环境的产生。或许,月球并非生命演化奇迹的旁观者,而是创造合适土壤的最初耕耘者。这些研究也将为我们理解和评估太阳系外类地行星的宜居性提供重要启发。
邓洪平,中国科学院上海天文台副研究员。2014年毕业于清华大学物理系,2019年于苏黎世大学获天体物理博士学位,2019-2021年于剑桥大学应用数学与理论物理系开展博士后研究。2022年回国加入地球2.0卫星团队,主要从事行星形成理论方面的工作。
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