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林红磊等-NSR:玉兔2号探测到橄榄石苏长岩,可能形成自月球上最大规模小行星撞击产生的岩浆湖
2019-11-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  基于玉兔2号在前三个月昼对月球背面多处月壤和一块石块的可见-红外光谱探测数据,中科院地质与地球物理研究所林杨挺研究员团队发现,所探测石块为橄榄石苏长岩,很可能是在撞击形成的岩浆湖中经分异结晶而形成。  

  1.背景及意义 

  根据月球岩浆洋假说,月球形成之后被~800 km厚的全球性硅酸盐岩浆覆盖,然后通过分异结晶,形成了矿物组成分层的月幔和月壳,自下而上分别为富镁橄榄石、斜方辉石、含钙辉石和斜长石等。晚期结晶的物质位于上层,但由于富含铁、钛,密度较大,有可能因重力失衡而下沉,从而引发物质翻转,改变了月幔的原始分层结构。因此,探测月球深部的组成对于限定月球的形成历史至关重要。 

  位于月球背面的南极-艾肯(SPA)盆地深达13公里,正是探测月球下月壳甚至上月幔的天然窗口。它又是月球上最古老的撞击盆地,对于认识月球-地球系统的早期撞击历史也具有重要意义。正因如此,嫦娥四号探测器选择在SPA盆地着陆,并开展探测,这是人类对月球深部物质和SPA盆地构造的第一次就位探测(图1)。 

1 嫦娥四号探测器着陆区地质背景及玉兔2号月球车前三月昼行进路线。着陆区的月壤均匀,石块很少

  2.9处月壤和1块岩石 

  在工作的前三个月昼,玉兔2号月球车搭载的可见-红外成像光谱仪沿巡视路径,对9个位置月壤和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(图2)。 

  研究发现,巡视区的月壤成分较为均匀,主要由辉石、长石和熔融胶结物等组成,含少量橄榄石,其中辉石以低钙辉石为主。由于着陆区的月壤很可能从东北方向的芬森(Finsen)撞击坑抛射过来,该成分代表了芬森坑挖掘的SPA盆地的基底物质。 

  但是,由月壤光谱数据反演得到的组成很难对SPA盆地原始基底岩石的特征做更多限定。一方面,岩石粉碎成月壤后,原有岩石结构信息基本被破坏;另一方面,月壤形成过程中的强烈太空风化,产生了撞击熔融玻璃和纳米铁等,并很大程度抹除了矿物的光谱特征,给矿物组成估算带来显著的不确定性。 

  除月壤之外,玉兔2号首次对月球表面的石块进行了原位光谱测定。该石块大于20 cm,落在月壤表面。根据玉兔2号搭载的高分辨相机拍摄的图像(空间分辨率约为0.6 mm/像素),该石块表面无法清楚地看出颗粒,表明石块的矿物颗粒较细,属于中等-细粒的岩石结构,可能是从较浅的岩浆中快速结晶形成的。该石块的光谱特征与月壤相似,表明二者可能是同源物质。但是,石块的矿物吸收峰很明显,可给出比月壤更可靠的矿物组成,包括38.1±5.4%低钙辉石、13.9±5.1% 橄榄石和48.0±3.1% 斜长石,并据此划分为橄榄石苏长岩。 

2  玉兔2号携带的可见-红外成像光谱仪在任务期间前三个月昼所测图像和光谱    

  3.石块中的月球往日 

  这块月球石头中的矿物颗粒较小,所以它不可能是在月球深部缓慢结晶形成的深成岩。也就是说,它不是下月壳或上月幔的原始岩石。据研究者分析,在陨石撞击形成SPA盆地的过程中,巨大的撞击能量使下月壳与上月幔的物质发生混合熔融,在SPA盆地中形成了一个岩浆湖,而这块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 

  这一分析与SPA盆地的撞击模拟一致。模拟表明,SPA盆地尺度的撞击事件将产生直径840 km的瞬态空腔和深度约50 km的岩浆湖。芬森坑和嫦娥四号着陆区均位于该岩浆湖的边缘。这与玉兔2号看到的石块呈中细粒结构相一致    

  研究成果发表于NSR。(林红磊, 何志平, 杨蔚, 林杨挺*, 徐睿, 张弛, 祝梦华, 常睿, 张金海, 李春来, 林宏宇, 刘洋, 芶盛, 魏勇, 胡森, 薛长斌, 杨建峰, 钟杰, 付晓辉, 万卫星, 邹永廖. 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)(原文链接 

 
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