月球经历了怎样的的“三宙六纪”?月球的背面到底长啥样?月球上有哪些岩石和矿产?人类可以到月球生活吗?
刘建忠老师说:中秋佳节就要到了,我们中国人对中秋佳节,有非常深厚的感情,每逢中秋佳节,我们都有吃月饼,赏月亮的传统的风俗。我作为一位月球科研工作者,也作为月球地质图的编研实践者,希望从今年之后,我们在吃月饼,赏月亮的同时,能够翻阅月球地质图,能够转动地质月球仪,了解更多的有关月球形成和演化的故事。
刘建忠
中国科学院地球化学研究所研究员
我是来自中国科学院地球化学研究所的刘建忠,我曾经任嫦娥工程地面应用系统一期的副总师和二期的副总指挥。作为这一套月球地质系列图鉴的执行主编,我们完成了这一套地质系列图鉴,包括中英文版的《全月地质图》,中英文版的《月球构造纲要图》,以及中英文版的《月球岩石类型分布图》。这个图比例尺是1:250万,目前是国际上精度最高的全月地质图。
我们这个图是在今年4月21日向全球发布,一经发布得到了国内外媒体的关注,和专家学者的赞誉。我们国内的头部媒体,当时点击量是超过3,000万,还有国际上的一个最著名的刊物《Nature》,专门找我们约稿,报道我们的成果。
对我们地球上的人类来说,有两个星球是我们关系最为密切的,一个就是白天东升西落的太阳,另外一个就是夜晚,有时我们能看得着,有时我们看不着的月亮。常言说万物生长靠太阳,对于夜晚出现的月亮,它到底重不重要,它是如何产生的,它由什么组成的,它对人类的发生发展有什么样的重要作用,这是大家关心的一个问题。其实这个问题在远古时代,就萦绕在人们的心头,神话故事里有一个很著名的传说盘古开天辟地,他的左眼变成了太阳,右眼变成了月亮。
与太阳是一个至刚至强的形象相比,月亮在人们心目中是至阴至柔的,激起了人们无限的遐想。它为古代的历法编制,农耕时令和社会发展,都发挥过比较重要的作用。
我国在元朝时候颁布的一个《授时历》,当时确定每个月的天数是29.530593日,一个回归年是365.2425日,这个数据与近代的观测值,也就是一个回归年是365.2422日,仅差了26秒。它的精度与1582年颁布的《格里高利力历》基本是相当,但我们采用的《授时历》,比西方采用的《格里高利历》早了300多年,在这里我们不得不感佩,我们中国古人的聪明才智。
在古代对月亮的崇拜在全世界都有,在我们国家道教里有月亮女神,佛教里也有月亮女神。
古希腊的神话故事里,认为天界有四位月亮神,分别是菲碧、塞勒涅、阿尔忒弥斯和赫卡忒,她们分别代表了新月、满月、弯月和冥月,古罗马的神话当中,月女神称之为露娜。
所以我们大家现在经常会听到,世界各个国家,特别是月球探测的国家,用这些女神的名字,做国家的月球探测工程的冠名。比如说前苏联的叫露娜计划,日本人的叫塞勒涅计划,美国人正在执行的,称为阿尔忒弥斯计划,我们国家用嫦娥,作为月球探测工程的冠名的,称之为嫦娥工程。
神奇美丽的传说,激励着地球的人类对那一片未知的领域,进行了执着的探索。可是当这个神秘的面纱被揭开以后,展现在人类面前的并不如神话里面,传说的那样生机勃勃。这个面纱首先是被伽利略揭开的,1609年的12月,他是第一个把望远镜对准月球进行观测,被称之为是现代天文学的一个开端。望远镜里面的景象像一个大麻子一样,铺满了大大小小的撞击坑。
真实的月亮到底是什么样子的?我们今天准备用三个词来给大家,进行一个轮廓性的描述。第一个词就叫黑白分明,每当农历十五前后,我们仰望天空的时候就可以看到皎洁的月亮,月亮是黑白分明的,有一半明的一半暗的,暗的东西大家一般称之为海,叫月海,它里面是由月海玄武岩组成的。右面的有一张图,上面有两个曲线,下面就是反照率,就是我们照着它反射回来的程度比较低,所以它就暗了。另外一个亮的地方叫高地,它是由斜长岩组成的,它的反照率比较高,就是我们上面的那条曲线。
月海玄武岩和高地斜长岩有这么两种岩石,这是我们用肉眼看到的,但是通过科学家们研究,月球的组成绝对不是这两种岩石。这个图是我们这一次编研的,全月球的岩石类型分布图,这里面总共有17种内动力地质作用形成的岩石。
最主要的分布最广的灰蓝色的,我们刚才说的亮色的就叫亚铁斜长岩,而在这里面我们区分出一种新的斜长岩,就是灰蓝色的里面的绿色的部分,称之为镁质斜长岩,这个是我们这次填图填出来的,原来样品里有,但是分布特征不是特别明确的一种岩石。之所以能够把它填制出来,得益于我们国家嫦娥一号工程的,干涉成像光谱仪的数据。
第二类就是我们中间海蓝色的岩石,海蓝色的跟我们前面看到暗色的那一块是相对应的,这一块暗色的部分,就是我们刚才说的月海玄武岩。在我们这张图上,蓝色也不是均匀的,由深蓝一直到浅蓝,这也是因为它的化学成分不是一样的。另外我们还可以在这个图上,很明显地看到,中间有红色的岩石类型的分布,这个红色大家经常听到的稀土元素,月球上的稀土元素很高,它富存在这种岩石里面,在我们这张图上叫做克里普岩。我们看到的月亮第一个是黑白分明,它是由物质组成导致的。
第二个词想形容一下月球,就是叫千疮百孔。用肉眼看也会发现在月面上,有大大小小的环形山,因为这些环形上的绝大部分,是由小天体撞击月球形成的,所以也称之为撞击坑。科学家们以200千米为界,把大于200千米的撞击坑,称之为撞击盆地。
为什么要以200千米做分界线呢?这是因为里面有物理和化学的一个规律,就是说当撞击坑的直径,是小于200千米的时候,大部分的撞击能量,它是以冲击波的这样一个形式,转化为溅射物的动能。而撞击坑直径大于200千米的时候,越来越多的能量就转化为熔融物和蒸发物的内能。
我们看到的这些撞击坑,即使都是小于200千米的撞击坑,如果仔细研究的话,它的形态也是不一样的,而且从大到小具有一定的变化规律可循。一般情况下小于15公里形成的,我们称之为碗型坑就像一个碗,坑壁是特别平滑,而且没有坑底,就是说它就像一个锥子那样的。当然有这样一个规律,不是说完全的,就因为这个撞击是非常随机的一个事件。随着直径的逐渐增大,到20千米以上的时候就会出现平底型坑,顾名思义它有一个平坦的坑底。这是我们第二个图,随着撞击坑直径大小的增大,就会出现丘底型坑,阶地型坑和中央峰坑。
撞击坑为什么这么重要呢?它的形态和它的形成年代,是有密切的关系的,也就是说年代越老,它的风化程度越高。在这一次我们1:250万月球地质图的编制过程当中,将月球地质年代划分为三宙六纪,这跟阿波罗时代是不一样的。我们现在划分的这样一个年代表,是更符合月球现在的演化规律,三宙就是冥月宙,古月宙,新月宙,其中冥月宙,月球当时是一个塑性状态,就是岩浆洋演化的过程,那个时候特别热,即使有小天体撞击到月球表面,它也形成不了撞击坑,就像我们当年的苏梅克列维彗星,撞到木星上以后,它很快就被抹掉了。只有从艾肯纪的时候,撞击坑才能保留下来,所以撞击坑的年代就是有五个年代,有艾肯与酒海,雨海,爱拉托逊和哥白尼纪,形成也能记录下来撞击坑。
同一种撞击坑 在不同的年代,它也表现出来不同的形态,上面是碗型坑,下面是平底型坑,随着年代的增加,边缘从尖锐变得越来越模糊,它就是个太空风化的一个过程,丘底型坑也是这样的一个特点,到阶地型坑和中央峰坑,都有这样的一个类似的变化的规律。因此我们搞月球研究,可以用这样的变化规律,对月球的地质年代进行一个判定。
为什么我们填图有那么多年代学?因为我们地球上用的最多,就是同位素年代学,月球上我们知道采样品非常艰难这么远,所以大部分的地体或者岩石单元,是靠撞击坑来进行统计或者退化定年的。前面是小于200千米的撞击坑,对于直径大于200千米的撞击盆地,它也是一样的,也不是一成不变的,分为单环盆地,峰环盆地,多环盆地和超大型盆地四种类型。
我们这次填图对盆地,进行了重点的研究,因为盆地撞击的能量比较大,它占的面积也比较大,它对月鞘的改造严重,所以我们进行了重点的研究。
结合地形,成分,重力场的数据,我们识别出了81个盆地,而且通过它们相互的叠织关系,盆地的退化程度,还有坑密度,确定了这样一个盆地的形成顺序,确定了艾肯纪有49个,酒海纪25个,雨海纪7个,它说明大型撞击事件,随着太阳系的一个演化,逐渐从无序演化到有序了,大型撞击事件是逐渐减少的。
通过前面的描述,我们知道月球上是十分荒凉的,但这个看似荒凉的星球,它是蕴含着无尽的宝藏,第一个宝藏就是稳定而丰富的太阳能。这是为什么?因为我们地球上有一个浓密的大气层,月球上没有大气层,太阳可以直接辐射到月球的表面,它的能量密度,能达到1.353千瓦每平方米,而且它的自转速度比较低,所以能获得稳定的太阳能。
人们一直也梦想着,利用月球上的太阳能,为人类社会的可持续发展来服务。比如日本就提出来一个月环计划,希望在月球的赤道上,建设一个宽400公里的太阳能电磁环,这个电磁环如果建成的话,每年能产生13万亿度的电能,能够提供全世界一半的电力供应。
第二个宝藏就是核聚变燃料氦-3。氦-3是一种太阳风成因的核素,同样是由于地球大气的屏蔽,在地球上很少,而月球上却很多。我们利用咱们嫦娥一号,微波辐射记录的数据,进行过估算,月球上的氦-3能达到100万吨以上,如果100吨可够人类用一年,那么我们可以用到1万年,而且它的含量与铁和钛元素是成正比。
第三个资源就是水资源。对于水的重要性,我觉得大家可能都知道,就毋庸置疑,它是人类建立月球基地,由基地走向更遥远深空的,主要的能源和资源。对于水的存在,现在争论逐渐地平息下来了,但是对于水的来源现在还是有更多的争论,目前一直认为有三种成因的水。一是来自月球深部的岩浆水;第二是太阳风和月表相互作用成因的水;第三个就是彗星撞击月球之后,带来的外来水。我们国家嫦娥七号有一个非常重要的任务,就是要确定这个水的来源,我们拭目以待七号带给我们的一个惊喜。
第四个宝藏就是其他的矿产资源。比如说稀土,稀土是关系国家安全的,一个战略性的矿产资源。地球上的总共的储量只有1.3亿吨,但月球上的稀土含量,高达200~450亿吨非常可观。
上个世纪可能是以认识月球,或者认识深空为主要的目标,随着时间的推移,现在大家逐渐把认识月球和利用月球,作为一个共同的重要目标,开发太空资源,为人类的可持续发展服务,是我们开展深空探测的一个,最主要的科学目标。月球上有这么多的宝藏,为人类开发太空资源应该说奠定了基础。
在了解了真实的月球之后,我们再来看看月球是如何形成的,如何诞生的。按照宇宙大爆炸的学说,天体的演化是从尘埃开始,逐渐吸积形成行星,这也是我们地球形成的一个过程。
但是作为地球唯一的天然卫星,月球的形成可能是经历了不同的过程,按照目前的研究结果月亮的成因有四种假说:一个是捕获说也叫养子说,分裂说是亲子说,还有一个同源说是姐妹说,还有一个大碰撞学说。大碰撞学说由于现在能符合更多的观测事实,比如说现在最重要的,就是月球和地球有,非常一致的同位素组成,所以现在大家认可程度最高的是第四种,也就是大碰撞学说。
最后我想说一说,月亮对于我们地球生命,或者地球演化的影响。在太阳系的八大行星当中,水星和金星是没有卫星的,地球有一个卫星,火星有两个卫星,后面有更多的卫星,作为地球唯一的天然卫星,月球在地球宜居性的演化当中,扮演了重要的一个角色。
比如说地球的潮汐,它是太阳和月亮共同作用下,形成的一种自然现象,很多研究者认为,原来海洋的生命,能够走向陆地,是由于潮汐作用影响的结果。
另外根据科学家的一个研究,我们地球的自转速度是变慢的,每100年自转周期要增加1.8毫秒,根据古生物的研究,比如说6,500万年 也就是白垩纪,那时候的一年是376天,比我们现在多了11天,就是原来自转速度很快,这与潮汐作用可能有非常大的关系。自转周期的变化,我们知道跟植物生长,动物发育,有非常重要的关系和影响。
中秋佳节就要到了,我们中国人对中秋佳节,有非常深厚的一个感情,每逢中秋佳节,我们都有吃月饼,赏月亮的传统的风俗。我作为一个月球科研工作者,也作为月球地质图的编研实践者,希望从今年之后,我们在吃月饼,赏月亮的同时,能够翻阅月球地质图,能够转动地质月球仪,了解更多的有关月球形成和演化的故事。