劉建忠:月球從未如此清晰,中國發布全球首套高精度月球地質圖集_風聞
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月球經歷了怎樣的的“三宙六紀”?月球的背面到底長啥樣?月球上有哪些岩石和礦產?人類可以到月球生活嗎?
劉建忠老師説:中秋佳節就要到了,我們中國人對中秋佳節,有非常深厚的感情,每逢中秋佳節,我們都有吃月餅,賞月亮的傳統的風俗。我作為一位月球科研工作者,也作為月球地質圖的編研實踐者,希望從今年之後,我們在吃月餅,賞月亮的同時,能夠翻閲月球地質圖,能夠轉動地質月球儀,瞭解更多的有關月球形成和演化的故事。
劉建忠
中國科學院地球化學研究所研究員
我是來自中國科學院地球化學研究所的劉建忠,我曾經任嫦娥工程地面應用系統一期的副總師和二期的副總指揮。作為這一套月球地質系列圖鑑的執行主編,我們完成了這一套地質系列圖鑑,包括中英文版的《全月地質圖》,中英文版的《月球構造綱要圖》,以及中英文版的《月球岩石類型分佈圖》。這個圖比例尺是1:250萬,目前是國際上精度最高的全月地質圖。
我們這個圖是在今年4月21日向全球發佈,一經發布得到了國內外媒體的關注,和專家學者的讚譽。我們國內的頭部媒體,當時點擊量是超過3,000萬,還有國際上的一個最著名的刊物《Nature》,專門找我們約稿,報道我們的成果。

對我們地球上的人類來説,有兩個星球是我們關係最為密切的,一個就是白天東昇西落的太陽,另外一個就是夜晚,有時我們能看得着,有時我們看不着的月亮。常言説萬物生長靠太陽,對於夜晚出現的月亮,它到底重不重要,它是如何產生的,它由什麼組成的,它對人類的發生發展有什麼樣的重要作用,這是大家關心的一個問題。其實這個問題在遠古時代,就縈繞在人們的心頭,神話故事裏有一個很著名的傳説盤古開天闢地,他的左眼變成了太陽,右眼變成了月亮。

與太陽是一個至剛至強的形象相比,月亮在人們心目中是至陰至柔的,激起了人們無限的遐想。它為古代的歷法編制,農耕時令和社會發展,都發揮過比較重要的作用。

我國在元朝時候頒佈的一個《授時歷》,當時確定每個月的天數是29.530593日,一個迴歸年是365.2425日,這個數據與近代的觀測值,也就是一個迴歸年是365.2422日,僅差了26秒。它的精度與1582年頒佈的《格里高利力歷》基本是相當,但我們採用的《授時歷》,比西方採用的《格里高利曆》早了300多年,在這裏我們不得不感佩,我們中國古人的聰明才智。

在古代對月亮的崇拜在全世界都有,在我們國家道教裏有月亮女神,佛教裏也有月亮女神。

古希臘的神話故事裏,認為天界有四位月亮神,分別是菲碧、塞勒涅、阿爾忒彌斯和赫卡忒,她們分別代表了新月、滿月、彎月和冥月,古羅馬的神話當中,月女神稱之為露娜。

所以我們大家現在經常會聽到,世界各個國家,特別是月球探測的國家,用這些女神的名字,做國家的月球探測工程的冠名。比如説前蘇聯的叫露娜計劃,日本人的叫塞勒涅計劃,美國人正在執行的,稱為阿爾忒彌斯計劃,我們國家用嫦娥,作為月球探測工程的冠名的,稱之為嫦娥工程。

神奇美麗的傳説,激勵着地球的人類對那一片未知的領域,進行了執着的探索。可是當這個神秘的面紗被揭開以後,展現在人類面前的並不如神話裏面,傳説的那樣生機勃勃。這個面紗首先是被伽利略揭開的,1609年的12月,他是第一個把望遠鏡對準月球進行觀測,被稱之為是現代天文學的一個開端。望遠鏡裏面的景象像一個大麻子一樣,鋪滿了大大小小的撞擊坑。

真實的月亮到底是什麼樣子的?我們今天準備用三個詞來給大家,進行一個輪廓性的描述。第一個詞就叫黑白分明,每當農曆十五前後,我們仰望天空的時候就可以看到皎潔的月亮,月亮是黑白分明的,有一半明的一半暗的,暗的東西大家一般稱之為海,叫月海,它裏面是由月海玄武岩組成的。右面的有一張圖,上面有兩個曲線,下面就是反照率,就是我們照着它反射回來的程度比較低,所以它就暗了。另外一個亮的地方叫高地,它是由斜長巖組成的,它的反照率比較高,就是我們上面的那條曲線。

月海玄武岩和高地斜長巖有這麼兩種岩石,這是我們用肉眼看到的,但是通過科學家們研究,月球的組成絕對不是這兩種岩石。這個圖是我們這一次編研的,全月球的岩石類型分佈圖,這裏面總共有17種內動力地質作用形成的岩石。
最主要的分佈最廣的灰藍色的,我們剛才説的亮色的就叫亞鐵斜長巖,而在這裏面我們區分出一種新的斜長巖,就是灰藍色的裏面的綠色的部分,稱之為鎂質斜長巖,這個是我們這次填圖填出來的,原來樣品裏有,但是分佈特徵不是特別明確的一種岩石。之所以能夠把它填製出來,得益於我們國家嫦娥一號工程的,干涉成像光譜儀的數據。
第二類就是我們中間海藍色的岩石,海藍色的跟我們前面看到暗色的那一塊是相對應的,這一塊暗色的部分,就是我們剛才説的月海玄武岩。在我們這張圖上,藍色也不是均勻的,由深藍一直到淺藍,這也是因為它的化學成分不是一樣的。另外我們還可以在這個圖上,很明顯地看到,中間有紅色的岩石類型的分佈,這個紅色大家經常聽到的稀土元素,月球上的稀土元素很高,它富存在這種岩石裏面,在我們這張圖上叫做克里普巖。我們看到的月亮第一個是黑白分明,它是由物質組成導致的。

第二個詞想形容一下月球,就是叫千瘡百孔。用肉眼看也會發現在月面上,有大大小小的環形山,因為這些環形上的絕大部分,是由小天體撞擊月球形成的,所以也稱之為撞擊坑。科學家們以200千米為界,把大於200千米的撞擊坑,稱之為撞擊盆地。

為什麼要以200千米做分界線呢?這是因為裏面有物理和化學的一個規律,就是説當撞擊坑的直徑,是小於200千米的時候,大部分的撞擊能量,它是以衝擊波的這樣一個形式,轉化為濺射物的動能。而撞擊坑直徑大於200千米的時候,越來越多的能量就轉化為熔融物和蒸發物的內能。

我們看到的這些撞擊坑,即使都是小於200千米的撞擊坑,如果仔細研究的話,它的形態也是不一樣的,而且從大到小具有一定的變化規律可循。一般情況下小於15公里形成的,我們稱之為碗型坑就像一個碗,坑壁是特別平滑,而且沒有坑底,就是説它就像一個錐子那樣的。當然有這樣一個規律,不是説完全的,就因為這個撞擊是非常隨機的一個事件。隨着直徑的逐漸增大,到20千米以上的時候就會出現平底型坑,顧名思義它有一個平坦的坑底。這是我們第二個圖,隨着撞擊坑直徑大小的增大,就會出現丘底型坑,階地型坑和中央峯坑。

撞擊坑為什麼這麼重要呢?它的形態和它的形成年代,是有密切的關係的,也就是説年代越老,它的風化程度越高。在這一次我們1:250萬月球地質圖的編制過程當中,將月球地質年代劃分為三宙六紀,這跟阿波羅時代是不一樣的。我們現在劃分的這樣一個年代表,是更符合月球現在的演化規律,三宙就是冥月宙,古月宙,新月宙,其中冥月宙,月球當時是一個塑性狀態,就是岩漿洋演化的過程,那個時候特別熱,即使有小天體撞擊到月球表面,它也形成不了撞擊坑,就像我們當年的蘇梅克列維彗星,撞到木星上以後,它很快就被抹掉了。只有從艾肯紀的時候,撞擊坑才能保留下來,所以撞擊坑的年代就是有五個年代,有艾肯與酒海,雨海,愛拉託遜和哥白尼紀,形成也能記錄下來撞擊坑。

同一種撞擊坑 在不同的年代,它也表現出來不同的形態,上面是碗型坑,下面是平底型坑,隨着年代的增加,邊緣從尖鋭變得越來越模糊,它就是個太空風化的一個過程,丘底型坑也是這樣的一個特點,到階地型坑和中央峯坑,都有這樣的一個類似的變化的規律。因此我們搞月球研究,可以用這樣的變化規律,對月球的地質年代進行一個判定。


為什麼我們填圖有那麼多年代學?因為我們地球上用的最多,就是同位素年代學,月球上我們知道採樣品非常艱難這麼遠,所以大部分的地體或者岩石單元,是靠撞擊坑來進行統計或者退化定年的。前面是小於200千米的撞擊坑,對於直徑大於200千米的撞擊盆地,它也是一樣的,也不是一成不變的,分為單環盆地,峯環盆地,多環盆地和超大型盆地四種類型。


我們這次填圖對盆地,進行了重點的研究,因為盆地撞擊的能量比較大,它佔的面積也比較大,它對月鞘的改造嚴重,所以我們進行了重點的研究。

結合地形,成分,重力場的數據,我們識別出了81個盆地,而且通過它們相互的疊織關係,盆地的退化程度,還有坑密度,確定了這樣一個盆地的形成順序,確定了艾肯紀有49個,酒海紀25個,雨海紀7個,它説明大型撞擊事件,隨着太陽系的一個演化,逐漸從無序演化到有序了,大型撞擊事件是逐漸減少的。

通過前面的描述,我們知道月球上是十分荒涼的,但這個看似荒涼的星球,它是藴含着無盡的寶藏,第一個寶藏就是穩定而豐富的太陽能。這是為什麼?因為我們地球上有一個濃密的大氣層,月球上沒有大氣層,太陽可以直接輻射到月球的表面,它的能量密度,能達到1.353千瓦每平方米,而且它的自轉速度比較低,所以能獲得穩定的太陽能。

人們一直也夢想着,利用月球上的太陽能,為人類社會的可持續發展來服務。比如日本就提出來一個月環計劃,希望在月球的赤道上,建設一個寬400公里的太陽能電磁環,這個電磁環如果建成的話,每年能產生13萬億度的電能,能夠提供全世界一半的電力供應。

第二個寶藏就是核聚變燃料氦-3。氦-3是一種太陽風成因的核素,同樣是由於地球大氣的屏蔽,在地球上很少,而月球上卻很多。我們利用咱們嫦娥一號,微波輻射記錄的數據,進行過估算,月球上的氦-3能達到100萬噸以上,如果100噸可夠人類用一年,那麼我們可以用到1萬年,而且它的含量與鐵和鈦元素是成正比。

第三個資源就是水資源。對於水的重要性,我覺得大家可能都知道,就毋庸置疑,它是人類建立月球基地,由基地走向更遙遠深空的,主要的能源和資源。對於水的存在,現在爭論逐漸地平息下來了,但是對於水的來源現在還是有更多的爭論,目前一直認為有三種成因的水。一是來自月球深部的岩漿水;第二是太陽風和月表相互作用成因的水;第三個就是彗星撞擊月球之後,帶來的外來水。我們國家嫦娥七號有一個非常重要的任務,就是要確定這個水的來源,我們拭目以待七號帶給我們的一個驚喜。

第四個寶藏就是其他的礦產資源。比如説稀土,稀土是關係國家安全的,一個戰略性的礦產資源。地球上的總共的儲量只有1.3億噸,但月球上的稀土含量,高達200~450億噸非常可觀。
上個世紀可能是以認識月球,或者認識深空為主要的目標,隨着時間的推移,現在大家逐漸把認識月球和利用月球,作為一個共同的重要目標,開發太空資源,為人類的可持續發展服務,是我們開展深空探測的一個,最主要的科學目標。月球上有這麼多的寶藏,為人類開發太空資源應該説奠定了基礎。

在瞭解了真實的月球之後,我們再來看看月球是如何形成的,如何誕生的。按照宇宙大爆炸的學説,天體的演化是從塵埃開始,逐漸吸積形成行星,這也是我們地球形成的一個過程。
但是作為地球唯一的天然衞星,月球的形成可能是經歷了不同的過程,按照目前的研究結果月亮的成因有四種假説:一個是捕獲説也叫養子説,分裂説是親子説,還有一個同源説是姐妹説,還有一個大碰撞學説。大碰撞學説由於現在能符合更多的觀測事實,比如説現在最重要的,就是月球和地球有,非常一致的同位素組成,所以現在大家認可程度最高的是第四種,也就是大碰撞學説。

最後我想説一説,月亮對於我們地球生命,或者地球演化的影響。在太陽系的八大行星當中,水星和金星是沒有衞星的,地球有一個衞星,火星有兩個衞星,後面有更多的衞星,作為地球唯一的天然衞星,月球在地球宜居性的演化當中,扮演了重要的一個角色。

比如説地球的潮汐,它是太陽和月亮共同作用下,形成的一種自然現象,很多研究者認為,原來海洋的生命,能夠走向陸地,是由於潮汐作用影響的結果。

另外根據科學家的一個研究,我們地球的自轉速度是變慢的,每100年自轉週期要增加1.8毫秒,根據古生物的研究,比如説6,500萬年 也就是白堊紀,那時候的一年是376天,比我們現在多了11天,就是原來自轉速度很快,這與潮汐作用可能有非常大的關係。自轉週期的變化,我們知道跟植物生長,動物發育,有非常重要的關係和影響。

中秋佳節就要到了,我們中國人對中秋佳節,有非常深厚的一個感情,每逢中秋佳節,我們都有吃月餅,賞月亮的傳統的風俗。我作為一個月球科研工作者,也作為月球地質圖的編研實踐者,希望從今年之後,我們在吃月餅,賞月亮的同時,能夠翻閲月球地質圖,能夠轉動地質月球儀,瞭解更多的有關月球形成和演化的故事。