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02 岩质行星 Rocky Planets（第1页）

02岩质行星Roets

本章里，我会聊聊我们居住的行星——地球，还有与地球类似的天体——水星、金星和火星这三颗类地行星，以及月球。对国际天文学联合会（IAU）的天文学家来说，月球只是一颗卫星，但从地质学家或地球物理学家的角度来看，月球的成分和内部结构使其能与类地行星相提并论。图3是相同比例下的这五个天体，相关数据在表3里。在这一组天体中，水星和月球其实没有大气层。金星的体积、质量和密度只比地球小一点点，所以金星的表面重力也只比地球小一点点，但是大气密度比地球要大得多。火星的体积比水星大，密度比水星小，由此产生的两种效应相互抵消，所以火星和水星的表面引力非常接近，不过由于火星更冷，所以它能够保持稀薄却像样的大气层。月球的表面重力为地球的六分之一，是这些天体中表面重力最低的，这是月球漫步者会以奇怪的方式四处走动的原因。表中的平均表面温度略去了这五个天体的地表温度随纬度的巨大变化，在某些情况下，还略去了昼夜之间地表温度的变化。例如在白天，水星的最高温度超过400℃，而漫长的水星之夜后，水星黎明的温度低于-180℃。

表3　类地行星的基本数

图3　上图：以相同的比例从左到右展示——水星、金星、地球、月球和火星。下图：更大的巨行星、木星、土星、天王星和海王星，还有和它们同样比例的类地行星

核

类地行星的特点是外表有很多岩石，主要是硅酸盐矿物类。但它的密度很大，里面不可能全部都是岩石，所以我们认为类地行星中心有一个富含铁的内核。没有一颗行星的核可以被直接看到或取样，但有几条彼此独立的证据链可以证明类地行星有一个富含铁的内核。其中之一是密度，即使考虑到类地行星内部会在高压下压缩，类地行星内部的密度也必须比岩石大。并且，轨道飞行器的轨道分析结果证明，沿着指向行星中心的各个方向，密度对称地增加。模拟岩质行星内部可能状况的化学模型表明，岩质行星内部深处的氧不足以使所有铁被氧化结合在硅酸盐矿物中。因此，如果行星的内部曾经熔融，金属铁因为比岩石密度更大，将向中心下沉。这是一种分化过程。

地球和水星的富铁核外侧一定是熔融状态的，证据是这两颗行星现在都有很强的磁场。地球和水星的磁场显然是由导电流体的发电机运动产生的。对于如此小的行星来说，水星的密度非常高，所以它的核一定非常大，估计占据了水星体积的40%和质量的75%。金星、月球和火星内部没有产生磁场，所以它们的核可能是完全凝固的。

研究地球时，我们通过研究地震波如何穿过地球，获得了很多关于地核的证据。地震波是由地震（或地下核试验）引发的振动，它证实了地球有一个半径为1215千米的固态内核和一个半径为3470千米的液态外核，这两者的成分似乎都主要是含有5%~10%镍的铁合金，但地球的密度参考值说明地核含有密度小于铁的物质，它只占地球外核的6%~10%，内核的2%~5%。对此最可能的解释是地核里混进了氧、硅和硫。

总的来说，地核约占地球体积的16%。金星和火星的核分别约占各自体积的12%和9%，这两个数值主要是根据两颗行星的平均密度估算出来的。另外关于月球有限的地震数据来自阿波罗计划，它们暗示着月球有一个相对较小的核，半径在220~450千米之间（不到月球总体积的4%）。大约每20颗陨石中就有1颗成分是含4。5%~18%镍的铁合金，这与小行星带中小行星的核一样，这些核在碰撞分解前就已经在内部分化了。

幔和壳

类地行星核周围的硅酸盐部分被称为幔。幔占据了类地行星的大部分体积和大部分质量（除了水星）。壳是覆盖在幔上相对较小的部分，也是由各种硅酸盐组成的，不过在成分上与幔略有不同。

行星目前的幔是由熔化的岩石演化来的，这些岩石曾在最终的巨大撞击时覆盖整个行星，地质学家称之为“岩浆海洋”。在岩浆海洋冷却的过程中，它的表面会向太空辐射热量，使其冷却成坚硬的外壳。然而，由于来自下层的湍流和上层的撞击，这层外壳会不断地反复破裂然后被搅动。岩浆海洋会持续冷却，但不像水球会最终冻结，类地行星上没有使整个岩浆海洋变成固体的特定凝结温度。熔融硅酸盐物质的性质就是这样，各种成分的矿物会在不同的温度和压力下结晶。行星科学家们还不确定岩浆海洋的分层结晶程度，也不确定密度高的矿物是否能够下沉，密度较低的矿物是否能够上浮，或许它们还会粘在一起形成巨大的“岩石冰山”，能使其自身更有效地浮起。

这些聚集的漂浮物质在化学成分上与其下方的岩浆海洋不同，它们形成了月球最早的真正意义上的壳。如今，聚集的漂浮物质在月球上以高地（月球表面的苍白区域）的形式存在。在更大的类地行星上，最古老的地壳的性质还没有被确定，部分原因是最古老的地壳很多被后来的壳所取代（至少被覆盖了）。要想知道这是如何发生的，我们必须把注意力转回幔。当一颗年轻的行星冷却下来时，它的幔会完全凝固，硅酸盐物质的两个重要特性随之开始作用。其中之一是：足够热的硅酸盐固体既不是完全不动的，也不是完全定型的。行星内部的热岩石能够以每年几厘米的速度（和指甲生长的速度一样）流动，就像一块沥青会随着时间变形一样。对一个坚固的幔来说，如果存在驱动力，在固体地幔中会发生缓慢的，但在地质学上来说是实实在在的移动。在行星内部，推动幔的动力来自热量。深层幔，其密度将略低于较冷的上部地幔，因此它们有交换位置的趋势。这种运动被称为对流，你可以在加热的汤锅中观察到它，但在行星内部，“固态对流”要慢得多。

想象一条由热幔形成的“饰带”或“羽流”在向上流动，并将较冷的幔向下置换。离地表越近，上升幔所经受的压力就越小，这就用上了硅酸盐的第二个相关特征。随着压力下降，硅酸盐开始熔化，这一过程被称为“部分熔融”，因为只有部分固体会熔化。这样形成的岩浆里二氧化硅的含量会略高于形成岩浆的固体。由此产生的岩浆密度也比固体低，浮力会把岩浆向表面挤压，尤其在覆盖在岩浆上的岩石受张力或已经断裂形成通道时。除非岩浆成为侵入物滞留在地下，否则它会通过火山向外喷发。

以这种方式形成的岩石被称为火成岩。岩浆活动所产生的壳可以通过渗透或覆盖的方式取代行星原有的壳。月球上的黑斑，也就是月球上的“月海”——是低洼地带，那里颜色较浅的原始地壳被以这种方式产生的熔岩流掩埋了。现在地球上壳的来源一个是地幔部分熔融形成的海洋地壳，还有多代海洋地壳熔融、再循环形成的大陆地壳。地球的海洋地壳厚6~11千米，而大陆地壳的厚度可以从较薄拉伸地带的25千米左右上升到主要山脉下面90千米。总的来说，地壳只占地球总体积约1%。月球的壳的平均厚度约为70千米（占月球体积的13%），范围包括高地地区大于100千米到某些主要撞击盆地下的20千米。

总之，在化学成分上，壳与下面的幔类似，不同之处在壳从幔中提取的方式。壳的密度较低，一般来说二氧化硅含量比幔高。壳比幔更多样化，壳中有岩石，它能与任何大气或液态水发生化学反应。这些岩石被分解或溶解，被重力、风、水或冰带走，沉积在其他地方。这些沉积物叫作沉积岩。埋藏、变形和加热可导致沉积岩或火成岩再结晶，通过这种过程形成的岩石被称为变质岩。

内部热量

行星的内部很热，部分原因是吸积过程留下了热量。对更大的行星来说，这种“原始热量”现存的比例会更大。因为含热量与行星体积有关，行星体积取决于半径的立方，热流失受表面积的限制，表面积只取决于半径的平方。

行星内部也会因为放射性同位素的衰变产生热量。会衰变的放射性同位素有很多，但只有四种会产生明显的热量：钾-40、铀-238、铀-235和钍-232。由于它们的化学特征，这些元素在岩石壳中的含量比在幔中更为丰富。在地球上，地壳所产生的辐射热（放射性衰变）与体积比地壳大得多的地幔所产生的辐射热大致相同。

类地行星产热元素的总量取决于它的质量（也取决于体积）。就像原始热量一样，在更大的行星上，放射热会被更有效地保留下来。以地球为例，现今散发到地表的热量仅有一半左右是原始热量，其余几乎都是放射热。

岩石圈

在壳和幔交界以下到达一定深度之后，物质通常会发生由冷而硬到热而流动的转变，壳和最上层幔构成了一个均一的力学层——一层坚硬的外壳。它被称为“岩石圈”，我们用希腊单词lithos（岩石）来表示这层岩石具有普通岩石的力学特性。岩石圈下面是幔，虽然幔的成分也是岩石，但它足够热，足够脆弱，可以产生对流。这个区域有时也被称为软流圈（asthenosphere，包含希腊语a-sthenos表示，意思是“没有力量”）。

地球的岩石圈大约有100千米厚，被分成了许多板块。由于底层软流圈特别脆弱，这些板块会被“冲散”。作为“板块构造”过程的一部分，岩石圈在板块被拉开的地方（通常是海洋深处，我们看不到）形成，然后会在一个板块被拉到另一个板块下方之后（也就是海沟标记的俯冲带）被破坏。大多数地震是由一个板块被邻近板块碾压所引起的。如果有人告诉你地球板块构造是“地壳在地幔上滑动”，那他们就错了，他们犯了许多学校教科书和考试大纲上常见的错误。事实上，地球板块是由地壳和与其连接的最上层坚硬地幔组成的，它们一起滑过更深、但不那么坚硬的软流圈地幔。

岩石圈是脆弱的，当一块岩石碾过另一块岩石时，就会发生断层。断层在地球上很常见，尤其是在两个板块相遇的区域。我们在其他行星上也发现了断层（图4）。

图4　500千米宽水星局部图。太阳光来自右边。影子标出一个千米级的陡坡，它的一侧有一个开放的字母M的形状。这是一个名叫猎犬悬崖的古老逆冲断层，它标志着右边（东边）的地面被推到左边（西边）的地面之上。图中一些陨石坑比这个断层更古老，而另一些则比这个断层更年轻

板块构造似乎是地球特有的。水星、月球和火星是更容易冷却的较小天体，它们的岩石圈也更厚，这无疑是仅在地球有板块构造的原因之一。但另一个更重要的因素在于，要使板块具有可移动性，软流圈的顶部需要足够脆弱。在地球内部，岩石当中含有少量水，这不仅让它们更脆弱，还形成了少量能润滑颗粒边界的熔化物。金星没有水分，所以它的软流圈是干燥的，岩石圈板块无法在其上自由滑动。

行星的软流圈或是干燥或是非常深厚，这对行星表面产生了两个主要影响：第一个是影响山脉的高度和盆地的深度。如果山脉和盆地的落差太大，软流圈就会使覆盖在上面的岩石圈流动并弯折，将地形反差度降到足以仅靠岩石圈的强度来支撑。第二个是影响软流圈带来的大冲击导致的裂纹。直径几十千米的冲击物以排山倒海之势冲击岩石圈，将其破坏，形成了盆地状的陨石坑，并带有同心裂缝环这一特征。在较薄的岩石圈中，这些同心裂缝环往往更加致密，因此可以用一些多环碰撞盆地来估计软流圈形成时的深度。当一颗行星慢慢冷却时，其岩石圈会逐渐变厚。

火山活动

岩浆是熔岩爆发前的名字，它主要有三个产生原因。热量可以直接作为岩浆的第一个成因，但也是最不重要的一个。行星岩石圈以下的热量积累缓慢，这可能导致大量的火山活动，行星内部强烈变化的潮汐应力又会造成星体内部的摩擦，导致“潮汐加热”，形成岩浆。压力的突然降低也有可能导致熔融，这可能是岩浆的第二个成因，这一情况只发生在大型撞击盆地所在的幔上。幔的上升区压力降低会导致熔岩部分熔化（例如，导致地球海洋地壳的形成）。岩浆形成的第三个原因是将水引入地幔或地壳，下层水会降低硅酸盐熔化的初始温度。地球俯冲带的上方有一串火山，因为被向下拖拽的俯冲板块的岩石中含有水，这些水向上渗入了俯冲板块上的覆盖板块底部。覆盖板块底部的温度没有热到足以使熔岩直接熔化，但即使温度没有上升，只要引入水，熔岩就会开始熔化。

月球

自从人们通过望远镜看到月球上的火山口，就开始推测月球火山活动。但他们错了，因为我们现在相当肯定，月球上几乎所有的环形山都是由撞击造成的。事实上，月球上主要的火山区域是那些曾被认为是干涸海床的黑色区域，尽管它们的名字仍然是mare（发音为mah-ray），意思是“海”。黑色区域的名字的复数是“maria”（发音为mah-ri-a）。火山区覆盖了约17%的月球表面，大部分位于月球离我们近的那面，也就是一直面向地球的那个半球。在这里，与陆地玄武岩成分相似的熔岩已经淹没了大多数多环碰撞盆地。

月海玄武岩的具体喷发口很难确定（图5）。这些喷发口很明显不是圆锥形火山，很有可能是裂缝。最有可能的是，炽热的熔岩通过裂缝被膨胀的火山气体喷射到高度超过1千米的地方。熔岩掉到地面的过程中，仍然炽热得足以摊开，蜿蜒流下数百千米。随着喷发速度的减弱，大部分裂缝的喷发口自动封闭，或者被后来的火山喷发所掩埋。

图5　200千米宽的视野下，月海的东南边缘。右边的崎岖地形是盆地边缘部分隆起的高原地壳。左上方较暗、较光滑的区域是月海玄武岩，它淹没了地势较低的地区。一条名为哈德利沟纹（HadleyRille）的1千米宽的海沟从南到北穿过视野中心。我们认为这是一条通道，熔岩从一个几乎被阴影遮蔽的源头流出后，流经这里。阿波罗15号在接近图像的中间、靠近哈德利沟纹的地方着陆

阿波罗的六次登月计划（1969—1972年）中，有四次是在月海上登陆的，因为那里地势平坦，比高地更安全。阿波罗号带回了可供分析的月海玄武岩样品，通过其中的放射性物质的衰变情况（放射性年代测定法），我们进行了高精度年代测定。该样品展示了年龄在39亿年到31亿年之间的月海，这样长时间的火山作用可以对月海做最简单的火山解释——盆地形成直接引发了火山作用。此外，2000年后的研究已经测定了一些重叠陨石坑足够少的月海，这些月海的年龄都小于12亿年。但在2007年，地球上发现了一片被认定为陨石的月球碎片。这个碎片是作为陨石撞击的抛射物被抛出月球的，里面含有已经存在43。5亿年的玄武岩碎片，比晚期重轰击的结束时间提早了5亿年。如此高龄的月海被随后形成盆地的抛射物掩埋，已经看不见了。所以如今我们知道，月球上的火山活动开始得早，结束得晚。

水星

水星的知名度远不如月球。不到一半的水星图片是由美国国家航天局（NASA）的水手10号在1974年至1975年间拍摄的。此后，再没有探测器到达过水星。直到2008年，美国宇航局的信使号探测器开始一系列的多重掠行后，水星才再次被探访。信使号探测器揭示的细节足以消除大多数人对水星上火山活跃程度的怀疑。如图4中右下角光滑的地形和正上方直径为120千米的盆地现在被认定为火山。水星缺乏浅色高地和深色熔岩之间反照率（反射亮度）的对比，人们先前最怀疑的就在这儿。浅色高地和深色熔岩使月球上的月海十分明显，这似乎是因为水星熔岩矿物质里的铁含量比月球（和地球陆地）玄武岩里的铁含量要少得多。熔岩形成的平原可能占了大部分水星表面，其中一些年龄大到可以追溯到晚期重轰击时代，还有密集的陨石坑。另一些熔岩形成的平原年龄比较小，上面的陨石坑较少。

信使号拍摄了一些火山口的照片，还拍摄了一些奇怪的10千米大的斑点。这些斑点有些明亮，有些黑暗，可能是特别年轻的爆炸性喷发点。在宇宙飞船进入水星轨道更系统、详细地记录水星图像之前，水星火山活动的持续时间很可能还无法确定。确认水星火山活动的持续时间的第一个机会将是2011年[1]信使号进入水星轨道的时刻。如果信使号仍然没有解决这个问题，那么水星火山活动的持续时间将由欧洲航天局的贝比科隆博（Bepibo）水星探测计划来解决，该任务计划2020年抵达水星。但可以肯定地说，水星的大面积熔岩至少是在30~40亿年前形成的，但很可能在过去10亿年内还有熔岩形成。水星上有如此长时间的火山活动是人们没有预料到的，这可能是由同一个神秘热源加热，并且这个热源还使水星的核心至今仍有部分熔融。

金星