本文選題：月球地質(zhì)　切入點：水星地質(zhì)　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2013年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：月球和水星是內(nèi)太陽系天體中大小相近、表面形態(tài)相似的兩個天體。由于二者的基本物理特征相似(如均無大氣、均具有硅酸質(zhì)殼層),前人常類比月球和水星上的相似地質(zhì)過程,以更徹底的了解其基本物理規(guī)律。 厘定月球表面地質(zhì)單元的地層年代具有巖石樣品年齡作為約束,最年輕的月球地層年代是哥白尼紀,起始于-800Ma前的哥白尼撞擊事件。月球上具有明亮濺射紋的撞擊坑大多形成于哥白尼紀。相比之下,水星表面地質(zhì)單元的地層年代是引用月球地層年代的分類原則建立的。由于沒有水星樣品作為約束,每個水星地層的絕對起止時間存在極大的不確定性�？乱敛o被認為是水星表面最年輕的地層年代,以水星表面的柯伊伯撞擊坑命名�？乱敛o與月球上的哥白尼紀相對應(yīng),前人一般認為柯伊伯紀起始于-800Ma。水星上具有濺射紋的撞擊坑形成于該時期。以往對月球與水星地質(zhì)演化歷史的研究認為：自大約800Ma以來,水星和月球表面的內(nèi)生型地質(zhì)活動已基本停止,外來天體的撞擊作用基本上是水星和月球表面最主要的地質(zhì)過程。 近年來成功入軌的月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter; LRO)和水星信使號飛船(MErcury Surface, Space ENviroment, GEochemistry, and Ranging; MESSENGER)獲取了價值巨大的探測數(shù)據(jù),極大的增進了行星地質(zhì)學(xué)界對這兩個天體的認識。更重要的是,通過對比月球與水星以及其他天體上的相似地質(zhì)過程,對了解太陽系天體表面地質(zhì)演化的規(guī)律提供了極為重要的窗口。利用以往探測器(尤其是LRO和MESSENGER)獲取的影像、光譜、重力場和激光高度計數(shù)據(jù),本文在月球和水星表面發(fā)現(xiàn)了非常年輕的地質(zhì)活動。其中,有些發(fā)現(xiàn)改變了前人對月球和水星熱演化史和地質(zhì)演化史的認識,例如水星表面柯伊伯紀的爆發(fā)型火山活動、水星殼層揮發(fā)分活動、月球全球發(fā)育的哥白尼紀坡面塊體運動等；有些發(fā)現(xiàn)則加深了對天體表面(包括地球)的地質(zhì)過程的基本規(guī)律的認識,例如通過類比月球哥白尼紀和水星柯伊伯紀的撞擊熔融內(nèi)發(fā)育的冷凝裂隙,為研究天體表面柱狀節(jié)理的成因機制提供了另一扇窗口。 總體而言,本文以水星柯伊伯紀和月球哥白尼紀的各種表面地質(zhì)活動為研究對象,分別分析了其地質(zhì)過程及其指示意義。本文的具體研究內(nèi)容及結(jié)論包括： (1)更新了水星曼蘇爾紀以來的地層年代的起止時間。首先統(tǒng)計了水星全球具有濺射紋的撞擊坑以及中低緯度的形態(tài)學(xué)第一類撞擊坑(包括具有濺射紋的撞擊坑)。在驗證數(shù)據(jù)庫的完整性之后,利用撞擊坑統(tǒng)計技術(shù),避開相關(guān)干擾因素,采用最新獲取的水星撞擊坑產(chǎn)生方程和年代方程,計算了水星形態(tài)學(xué)第一類撞擊坑坑群所代表的絕對模式年齡,大約為1.26Ga,這些撞擊坑形成于曼蘇爾紀；水星上所有具有濺射紋的撞擊坑的絕對模式年齡大約為159Ma,其中具有明亮濺射紋的撞擊坑的絕對模式年齡大約為40-60Ma。因此可將水星柯伊伯紀的起始時間劃在-159Ma前。 (2)本文在月球哥白尼撞擊坑南東側(cè)的連續(xù)濺射毯上發(fā)現(xiàn)一處由數(shù)十條小型地塹組成的復(fù)雜地塹系統(tǒng),并以此為出發(fā)點研究了月球表面的年輕構(gòu)造與巖漿活動的可能性。這些地塹從地層切割的角度證實盡管月球在哥白尼紀處于全球收縮的擠壓背景下,月球表面依然可形成伸展構(gòu)造。這套地塹系統(tǒng)的獨特之處在于,其位于一個局部的地形隆起上,周圍未見明顯的與之相關(guān)的擠壓構(gòu)造,且該區(qū)域具有巨大的自由空氣與布格重力異常。通過分析這些地塹的形態(tài)和幾何特征,本文分析了形成其拉伸應(yīng)力的可能來源,重點討論了最近提出的月球哥白尼紀淺層巖漿侵入的假說。巖漿侵入的理論模型計算和類比研究證明：這套地塹系統(tǒng)不太可能是由于淺層巖漿侵入造成局部地勢隆起而形成的。由于月球持續(xù)全球收縮,隱伏逆沖斷層活動以及月震更可能是形成這些地塹的原因。 (3)利用LRO獲取的高分辨率影像數(shù)據(jù),論文發(fā)現(xiàn)月球全球正在發(fā)生大量形式多樣的塊體運動。雖然月球表面缺乏流水或大氣,這些塊體運動的形貌與地球上的極其相似,有些具有低粘度的流動特征�；�300多個月球表面塊體運動的樣例,建立了每個樣例的形貌、尺度、所在地質(zhì)單元的坡度和年齡的數(shù)據(jù)庫。結(jié)果發(fā)現(xiàn)坡面塊體運動是改造月球表面局部地貌的重要地質(zhì)過程。塊體運動通過削高補低,最終夷平月面的地勢差。塊體運動與撞擊作用是決定月面區(qū)域尺度的月壤厚度的最重要因素,對區(qū)域的撞擊坑密度存在一定的影響。酒海紀和前酒海紀的地貌代表了月球表面地貌演化的最終階段,只有月壤蠕移在其中形成。 (4)在水星上發(fā)現(xiàn)了幾處曼蘇爾紀的小范圍表面巖漿事件形成的平原物質(zhì)。這些平原物質(zhì)覆蓋了周圍形態(tài)學(xué)第一類撞擊坑的濺射物,表明水星表面的巖漿活動至少持續(xù)到了1.26Ga。另外,水星上有多處柯伊伯紀的爆發(fā)型火山口,其產(chǎn)生的火成碎屑沉積物覆蓋了附近具有濺射紋的撞擊坑。表明水星幔部的熔融物在柯伊伯紀依然具有極高的揮發(fā)分含量,且水星內(nèi)部的熱活躍程度和殼層厚度尚不足以阻礙表面火山活動的形成。這些發(fā)現(xiàn)與以往對水星演化的認識截然不同。另外,水星上大部分的爆發(fā)型火山活動形成的火山口和火成碎屑沉積物的反照率比水星的全球平均反照率高,在紫外到近紅外波段的反照率光譜曲線斜率相對較陡。與之相反,一些柯伊伯紀的火成碎屑沉積物和火山口的反照率比水星的平均反照率低,表明其物質(zhì)成分或物理性質(zhì)不同。這對了解水星內(nèi)部物質(zhì)的成分演化具有重要的指示意義。 (5)前人一般認為水星自晚期大轟擊結(jié)束后,也即大約3.8Ga左右,表面的擠壓構(gòu)造單元不再形成。本文在水星表面發(fā)現(xiàn)了一些切割形態(tài)學(xué)第一類撞擊坑的、長達數(shù)十千米的葉片狀懸崖,有些大型葉片狀懸崖也可能切割具有濺射紋的柯伊伯紀的撞擊坑。另外,在水星表面發(fā)現(xiàn)了一些較小的葉片狀懸崖切割柯伊伯紀的小型撞擊坑,表明水星全球收縮在柯伊伯紀依然存在。對比水星上大型平原物質(zhì)和大型葉片狀懸崖的相對年齡,可發(fā)現(xiàn)由于水星持續(xù)全球收縮導(dǎo)致殼層增厚,阻礙了水星幔部的熔融物大量上涌,水星表面的大范圍巖漿事件在大約1.26-3.8Ga之間停止。 (6)在水星上發(fā)現(xiàn)了大量與揮發(fā)分活動有關(guān)的地貌單元：白暈凹陷和暗斑。本文分析了其形貌、大小、全球分布特征、光譜特征、地層年齡、可能的物質(zhì)成分以及可能的成因機制。白暈凹陷與暗斑發(fā)育在除高反照率平坦平原物質(zhì)之外的所有地貌上。白暈凹陷是形態(tài)不規(guī)則的、無隆起邊緣的、較淺的凹陷,周緣常由高反照率的暈狀物質(zhì)環(huán)繞,其反照率大于水星濺射紋的反照率。高分辨率影像數(shù)據(jù)揭示這些暈狀物質(zhì)上是由高反照率的小型凹陷連接形成的。內(nèi)部和周圍反照率均比背景地質(zhì)單元高的白暈凹陷可能依然處于活躍狀態(tài),而較老的白暈凹陷則不具有高的反照率。暗斑是圍繞白暈凹陷發(fā)育的薄層狀低反照率物質(zhì),其反照率是目前水星上最低的。每個暗斑中心都發(fā)育有白暈凹陷,相反,并非每個水星白暈凹陷周圍都有暗斑。暗斑可能是通過劇烈的富含揮發(fā)分的物質(zhì)以100米/秒左右的速度噴出以脫氣作用形成的。與此同時,揮發(fā)分的出口形成一個原始的白暈凹陷,后凹陷逐漸、緩慢地側(cè)向和垂向生長出現(xiàn)白暈。白暈凹陷也是殼層內(nèi)富含揮發(fā)分的物質(zhì)不斷散失而生長擴張的,但其生長速度遠小于暗斑的形成速度。暗斑物質(zhì)極不穩(wěn)定,其存活時間小于水星表面撞擊濺射紋的存活時間,因而所有觀察到的水星暗斑可能都形成于柯伊伯紀。形成暗斑與白暈凹陷的揮發(fā)分物質(zhì)都富硫,造成二者反照率的差異可能是其物質(zhì)成分和/或顆粒物理性質(zhì)不同。 (7)月球哥白尼紀和水星柯伊伯紀的撞擊坑底形成了大量新鮮的撞擊熔融。這些撞擊熔融是通過熱輻射方式冷卻的,冷凝過程中形成的拉張應(yīng)力造成巖石破裂形成冷凝裂隙。通過分析月球和水星撞擊熔融中的冷凝裂隙的形態(tài)、大小和組合樣式,本文發(fā)現(xiàn)撞擊熔融的深度、固體碎屑物在撞擊熔融中的含量以及撞擊熔融冷凝過程中的垂直沉降量控制了裂隙的發(fā)育。將月球和水星上的冷凝裂隙與火星和地球上的柱狀節(jié)理相比,可發(fā)現(xiàn)熱輻射造成的冷凝速率可能不足以形成柱狀節(jié)理,熱對流和/或熱傳導(dǎo)是形成柱狀節(jié)理的主要散熱方式,揮發(fā)分可能在所有天體表面的柱狀節(jié)理的形成過程中必不可少。 (8)月球和水星上的平均撞擊速度和表面重力加速度不同。對比月球和水星上的撞擊坑,可分析撞擊過程中的主控因素。本文測量并對比了水星和月球上一些形態(tài)學(xué)第一類復(fù)雜撞擊坑的外部沉積物(包括連續(xù)濺射沉積物和連續(xù)二次撞擊坑相)的形態(tài)與大小,研究了撞擊挖掘階段的主控因素。與前人的研究結(jié)果相似,本文證實重力是復(fù)雜撞擊坑形成過程的挖掘階段的一個主控因素。另外,本文發(fā)現(xiàn)撞擊速度在撞擊挖掘過程中也起到不可忽視的作用。不同于典型的月球二次撞擊坑,有些水星撞擊坑形成了大量分布相對離散的圓形二次撞擊坑。分析其原因表明水星局部區(qū)域和層位的物質(zhì)具有獨特的物性,影響了撞擊挖掘過程中的濺射角度。該物質(zhì)特性很可能與水星殼層內(nèi)部富含揮發(fā)分的低反照率物質(zhì)有關(guān)。 (9)在太陽系天體表面,撞擊坑內(nèi)的中央凹陷一般歸因于被撞擊體中的水冰等揮發(fā)分對撞擊過程的影響。由于月球和水星的殼層內(nèi)相對缺乏揮發(fā)分,前人一般認為水星和月球撞擊坑中不存在中央凹陷。本文在一些月球撞擊坑和水星撞擊坑內(nèi)(包括哥白尼紀和柯伊伯紀的撞擊坑)發(fā)現(xiàn)了中央凹陷。通過建立其形態(tài)、大小、年齡、和分布位置的數(shù)據(jù)庫,本文對比了水星和月球與其他天體上的撞擊坑內(nèi)的中央凹陷,并提出形成月球和水星撞擊坑的中央凹陷不需要揮發(fā)分,而與撞擊過程自身有關(guān)。
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【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P184;P185.1

【參考文獻】

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本文編號：1576519