从月球上寻找地球失落的历史。

地球上的水是什么时候形成的?这是科学家们至今还在争执不休的课题。不过,过去人们普遍认为,起码在地球诞生(约46亿年前)最初的几亿年里,应该不太可能有水存在,因为那时候内太阳系的几个岩质大天体都在经历着剧烈的小天体撞击,完全是一个个熔融炙热的冶炼炉。那么很自然地,人们认为地球上的水应当形成于晚些时候,怎么也不能比45亿年前更早了吧

然而近日,英国开放大学的Greenwood及其同事们通过测量地球和月球的岩石样本,发现地球上的大部分水可能在45亿年前就存在了,这一结果发表于2018年3月28日的Science Advance:Oxygen isotopic evidence for accretion of Earth’s water before a high-energy Moon-forming giant impact

咦?为什么科学家们可以通过月球的岩石找到地球上水含量变化的线索呢?这是因为月球和地球有着不可分割的“近亲”关系。这一切还得从月球的起源说起,那是很久很久以前的一天……

飞来横祸的一天

45亿年前的一天,一颗火星大小的天体从天而降,倾斜撞向了尚未完全长成的“雏形”地球。剧烈的撞击迅速粉碎和融化了整个撞击体,也把地球的一部分物质撞了出来。这些碎屑物质散落在地球四周,又通过碰撞和吸积最终形成了如今的月球。

(图:大撞击假说的假想图。 来源:museumvictoria.com.au)

这就是著名的大撞击假说(Giant Impact Hypothesis)为我们构建的月球起源图景(Hartmann and Davis, Icarus, 1975; Canup and Asphaug, Nature, 2001),科学家们还给这颗假想中的撞击体赋予了一个意味深长的名字——忒亚(Theia),她是希腊神话中的泰坦女神,也是月神塞勒涅(Selene)之母。

修修补补几十年——行星科学家:宝宝心里苦!

虽然人们对月球的起源一直有诸多猜想,但大撞击假说是近几十年来最受青睐的一个,因为它能较好地解释如今地球的自转倾角、地月系统的密度差异和轨道动力学关系。

但物理上的大厦盖起来了,化学上的窟窿怎么办?行星科学家们可以说是绞尽脑汁。

起初,人们想当然地认为撞击产生的碎屑一定是大部分来自忒亚,小部分来自地球,那么最终形成的月球在化学成分上(比如某种元素的各种同位素比例)应该更接近忒亚而非地球对吧。

可是阿波罗任务带回来的月球岩石的同位素含量测量显示,地月岩石以氧为首的一些同位素的比例像得不得了,几乎没有差异啊 (Wiechert et al., Science, 2001)。

月球岩石的δ17O和δ18O的比例和地球岩石的非常一致,几乎不可区分,而他们和火星岩石就非常不同。来源:Pahlevan and Stevenson (EPSL, 2007)

坏了,那怎么办?简单,让忒亚和地球的化学成分相同不就行了么,反正45亿年前的忒亚是啥样还不是靠推(瞎)理(猜)么!

可是显然忒亚和地球的化学成分不同才是更有可能的情况,毕竟两个素未谋面的天体化学成分上一毛一样,这概率实在有点小。为了让大撞击假说更有说服力,行星地球化学家们又提出了“同位素均一理论(isotopic equilibration)”,认为在当时大撞击之后,地球外层物质和忒亚的碎屑在一个高温熔融气化的环境中充分混合了,所以两者的成分表现出了高度相似性(Pahlevan and Stevenson, EPSL, 2007)。

问题又来了,氧这样的易挥发元素好说,但地月的钛和钨这样的难熔元素的同位素含量也非常相似 (Zhang et al., 2012; Dauphas et al., 2014),这就解释不通了,因为这些元素非常耐高温,不太可能熔融气化参与这种充分混合啊。

好说,咱们把原本的动力学模型再改改。

比如,如果最初的撞击更剧烈,撞出更多更深的地球物质,让最终生成的月球主要由地球的幔层物质组成而非忒亚不就结了。但更剧烈的撞击会让之后的地月系统角动量比现在大不少啊,这对不上。怎么办?让它在地月系统和太阳的轨道共振中消耗掉呗——这就是“高能撞击模型”(Ćuk and Stewart, Science, 2012; Canup, Science, 2012)。

或者干脆不要撞一次了,如果是小一点的忒亚(们),多次撞击了雏形地球,这些撞击产生的碎屑更容易充分混合和自由迁移,也可能产生目前的地月化学成分——这就是“多次撞击假说”(Rufu et al., 2017; Lock and Stewart, JGR, 2017)。

可还是不对,就算大撞击结束之后的地月岩石的化学成分可以达到一致,可那毕竟是45亿年前啊!在那之后的漫长年月里,地球和月球依然经历了多次小行星和彗星的撞击,这些撞击必然为地月系统带来了新的物质——这被称为“后增薄层(late veneer)”(Walker et al., 2015)。新旧物质的混合会进一步改变地球和月球的化学成分,也就是说,即使45亿年前的地月化学成分是一样的,到现在也不应该一样了……

这还没完,虽然诸多研究者们已经翻来覆去测过n多次了,但不同的研究者用不同的样品测的结果还不一样……有研究就表明:我们测的地球和月球的氧同位素含量明明差别很大啊(月球和氧同位素含量有高达12 ppm的差别,1 ppm=百万分之一,而支持“几乎没有差别”的研究认为只有不到1ppm的差别)!我这儿和大撞击理论符合得好着呢,你们前面那些都想多了,洗洗睡吧 (Herwartz et al., Science, 2014)!当然,之前之后的众多行星地球化学家们都强烈反对这个实验结果 (Young et al., Science, 2016)……

其实,以上这些不过是近二三十年来月球起源假说各种争论的冰山一角……在大撞击假说这栋大厦里,行星科学家们就这样补完一楼补二楼,补完二楼补三楼,补完三楼……什么?一楼又破了?!

行星科学家们:宝宝心里苦,难过到嗦不出话……

不过,聪明的大家一定发现了,说来说去,有一个基本的争议点决定了后面所有假(脑)说(洞)的走向:

地球和月球的氧同位素含量到底是不是差不多啊?!这个问题实在是太关键了。

重测氧同位素含量,重现地球的含水量变化

近日,英国开放大学的Greenwood及其同事们又㕛叒叕测了一把地球和月球的氧同位素含量。他们的实验中使用了高精度的同位素测量方法,囊括了目前为止最全面的月球和地球岩石样本。结果显示:月球岩石和地球玄武岩的氧同位素含量存在3-4 ppm(也就是百万分之三到四)的差别,这个差别在统计上显著可区分。也就是说,差别是存在的,但很小——比12 ppm小得多,但也不止1 ppm那么小。

月球岩石的δ17O比例平均值比地球岩石大3-4 ppm,显著可区分,注意这张图为了让两者的差异显著,对δ17O比例取值做了一定处理,所以线是平的而不是斜的。来源:Greenwood et al. (Science Advance, 2018)

什么意思呢?就是说,之前关于大撞击假说的那些补丁依然有必要打,而且,还不够。

不够的地方在于,仅仅是撞击之后的混合,似乎并不足以导致4 ppm的差别……

Greenwood及其同事们又以顽火无球粒陨石(aubrites)代表忒亚的化学成分,模拟了撞击之后氧同位素的混合和含量。顽火无球粒陨石富镁、贫铁,且的氧同位素含量和月球岩石相近,因而被认为化学成分很接近当年的撞击物。模拟结果显示,撞击和混合之后月球和地球岩石的氧同位素含量差异应当只有2 ppm。也就是说,原本撞击和混合之后也会有一点点差别,但这个一点点还是比岩石样本中测得的一点点小不少:地月岩石的氧同位素差异只有一半是原本的大撞击和混合造成的,而另一半是怎么来的呢?是之后的小行星和彗星撞击引起的,也就是上一节所说的“后增薄层”的影响了。

(图:后增薄层对地球化学成分的后期改造。改编自:Kleine (Nature, 2011))

在大撞击之后的45亿年里,无数小行星和彗星来到了地球,过去的研究认为,正是这些小行星和彗星,给地球带来了大部分水和挥发物,而这些新加入的氧元素,也改变了地球岩石的氧同位素比例。然而,Greenwood及其同事们通过这次的地月岩石氧同位素含量的测量值进行推算,却发现地球全球水量中只有5-30%是大撞击之后地球上新增的,也就是说,地球上绝大部分的水可能在45亿年前的那次大撞击之前,就已经静静地存在于雏形地球上了。

不过这个结论也不是首次提出了,Fischer-Gödde and Kleine (Nature, 2017) 也通过对比地球和各种球粒陨石中钌同位素异常,提出后增薄层并不是地球上水和挥发物的主要来源,也就是说两者虽然用了不同的方法,但得到了一致的结论。

那么这些水是如何在还未长成的地球上诞生,如何在大撞击和频繁的小型撞击之下幸存的?这些还有待行星科学家们继续探索。另一方面,如果在行星形成早期的极端环境下就能有如此大量的水存在,那么经历过相似阶段的系外行星上有液态水和适宜生命存在环境的希望似乎也大了不少。

至于大撞击假说这栋大厦将来会怎么样嘛……或许有一天,行星科学家们能把所有的补丁都给完美补上,也或许有一天,补丁打太多大厦直接就塌了……谁知道呢?


致谢本文感谢好友Yanhao Lin, Shaofan Che, Le Qiao, Boyang Liu的审稿和对本文内容提升所提供的帮助。

老规矩,简易阅读版发在公众号haibaraemily_planets。

BTW,这还是哀酱第一次听说有开放大学(Open University)这么个大学……是一所公立的远程教育大学,大部分学生都是远程学习……可以授予本科和硕士学位,有校园,有工作和研究人员……

参考文献

  • , R. C., Barrat, J. A., Miller, M. F., Anand, M., Dauphas, N., Franchi, I. A., … & Starkey, N. A. (2018). Oxygen isotopic evidence for accretion of Earth’s water before a high-energy Moon-forming giant impact. Science advances, 4(3), eaao5928.
  • Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
  • Wiechert, U., Halliday, A. N., Lee, D. C., Snyder, G. A., Taylor, L. A., & Rumble, D. (2001). Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact. Science, 294(5541), 345-348.
  • Pahlevan, K., & Stevenson, D. J. (2007). Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact. Earth and Planetary Science Letters, 262(3-4), 438-449.
  • Zhang, J., Dauphas, N., Davis, A. M., Leya, I., & Fedkin, A. (2012). The proto-Earth as a significant source of lunar material. Nature Geoscience, 5(4), 251.
  • Dauphas, N., Burkhardt, C., Warren, P. H., & Fang-Zhen, T. (2014). Geochemical arguments for an Earth-like Moon-forming impactor. Phil. Trans. R. Soc. A, 372(2024), 20130244.
  • Ćuk, M., & Stewart, S. T. (2012). Making the Moon from a fast-spinning Earth: a giant impact followed by resonant despinning. science, 338(6110), 1047-1052.
  • Canup, R. M. (2012). Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science, 1226073.
  • Lock, S. J., & Stewart, S. T. (2017). The structure of terrestrial bodies: Impact heating, corotation limits, and synestias. Journal of Geophysical Research: Planets, 122(5), 950-982.
  • Rufu, R., Aharonson, O., & Perets, H. B. (2017). A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience, 10(2), 89.
  • Walker, R. J., Bermingham, K., Liu, J., Puchtel, I. S., Touboul, M., & Worsham, E. A. (2015). In search of late-stage planetary building blocks. Chemical Geology, 411, 125-142.
  • Herwartz, D., Pack, A., Friedrichs, B., & Bischoff, A. (2014). Identification of the giant impactor Theia in lunar rocks. Science, 344(6188), 1146-1150.
  • Young, E. D., Kohl, I. E., Warren, P. H., Rubie, D. C., Jacobson, S. A., & Morbidelli, A. (2016). Oxygen isotopic evidence for vigorous mixing during the Moon-forming giant impact. Science, 351(6272), 493-496.
  • Kleine, T. (2011). Geoscience: Earth’s patchy late veneer. Nature, 477(7363), 168.
  • https://www.psi.edu/epo/moon/moon.html
  • Fischer-Gödde, M., & Kleine, T. (2017). Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer. Nature, 541(7638), 525.

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:haibaraemily

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