月球“冷缩”作用下的火山喷发之谜破解

    ◎本报记者 翟冬冬

    火山作用是月球最重要的地质活动之一，理解其过程和机制对理解月球的演化历史至关重要。通常情况下，早期月球内部热膨胀导致上覆岩石圈受张力发生破裂，裂隙为岩浆上涌喷发提供了通道，从而形成月表火山及火山地貌。

    与之相反的是，褶皱山脉是月球内部冷却体积收缩引起或来自外部横向压力导致的岩石圈挤压变形，引起岩浆通道发生闭合，不利于形成火山喷发。

    “火山喷发与褶皱山脉的成因一直是月球科学研究的热点话题，特别是它们共生的原因一直是科学界未曾解决的谜团。”中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室研究员张锋说。

    中国科学院国家空间科学中心行星环境与演化团队领导的国际研究小组，通过分析月球轨道探测器获得的影像数据，在多个月球大型撞击盆地内部发现了30余处火山口位于褶皱山脉上。通过分析月球大型撞击盆地的形成及演化过程、火山喷发机理及运用比较行星学方法（与地球类比研究），研究团队提出了月表冷却收缩压应力环境下的火山喷发机制模型。该模型为月球火山喷发与褶皱山脉共生现象提供了合理的机制和解释。

    相关研究成果发表在《自然·通讯》上。

    褶皱山脉形成伴随火山喷发

    理解构造—火山相互作用机制对研究月球外动力（大型撞击事件）和内动力（岩浆作用）耦合作用下的月球（热）演化历史有重要意义。根据目前科学家对月球的认知，月球表面来自月幔的火山喷出岩几乎都分布于大型撞击盆地及周缘凹地内部，这归因于大型撞击事件削薄了月壳，加上其对月壳的冲击破裂作用，因此形成了有利于岩浆上升并喷发的环境。

    张锋表示，大型撞击盆地内部填充的火山岩厚度可达几公里，大致沿盆地中心向外逐渐变薄。撞击挖掘后的盆地填充物（包含撞击熔融物和火山喷出岩）与月壳之间形成了一岩性存在明显差异的不连续界面，而目前科学界普遍认为，与褶皱山脉形成有关的断层作用，其影响范围局限于此界面以上（即盆地底部月壳以上的盆地填充物内），而岩浆储库和源区则位于月幔。因此，科学家一直无法解释来自月幔的岩浆如何通过月壳和盆地岩层到达月表并与褶皱山脉共生的。

    撞击坑或盆地内部填充了火山岩后，在重力和岩石冷却收缩作用下，之后的月幔岩浆很难再发生上涌和喷发。但此次研究团队发现，位于褶皱山脉上的火山口及喷出物证明了在月壳冷却收缩压应力环境下，褶皱山脉的形成伴随着火山喷发。

    新模型揭示撞击坑或盆地火山喷发通道

    在此次最新研究中，研究人员提出了一种新模型（反转构造模型），可以对上面提到的现象及涉及的难题进行合理的解释。

    根据该模型，月球大型撞击盆地往往是多环盆地，是盆地形成初期重力均衡调整的结果，在远离中心的环和最外盆缘之间形成一系列规模不等的高角度月壳断裂或断层（呈现环绕盆地中心分布），早期张应力环境下，沿断裂面的两侧岩体发生相对运动，称之为正断层，某些正断层可延伸到下月壳；早期火山喷发物填充到盆地内部，之后是后期火山喷发填充。

    随着时间推进，区域张应力环境转为横向挤压应力主导，之前存在的正断层被重新激活（再活动）转为逆向运动，断层面两侧的岩体发生反向运动（类似逆断层），导致月表形成褶皱山脉，这一过程已在地球上某些地质环境下得到研究和验证。同时，调整过程中，逆向断层运动会导致上面岩层断裂产生新的断层或张裂隙，从而使得月表到月壳内部由断层相连，通道被打通，进而为上月幔的岩浆上升和喷发提供了可利用通道。而低黏滞度的玄武岩浆填充到断层内部，起到了润滑剂的作用，进一步促进岩体的相对运动。

    张锋说，此类现象易发生于盆地底部存在正断层的区域，即盆地环和边缘地带，研究团队识别出30个案例，几乎都分布于远离盆地中心的盆地环和边缘区域，观测结果与模型预测相契合。