阿波罗时代震动揭示月球的活力与活跃

月震仍然在震动和重塑月球表面,这可能会威胁未来的宇航员和栖息地

An image of Apollo 17 astronaut Harrison "Jack" Schmitt on the lunar surface

宇航员哈里森·“杰克”·施密特在金牛座-利特罗山谷工作,阿波罗17号的着陆点。

1972年12月12日,吉恩·塞尔南将他的月球车停在了宁静海的东南边缘,在一个名为金牛座-利特罗的山谷中。一座灰色的山丘,名为北马西夫山,耸立在远处。在其西侧是一处坍塌的陡坡,绰号为李-林肯断崖。这是一处滑坡,形成了一堵矮墙,似乎横穿山谷,就像月球肩膀上的耸肩。塞尔南和他的同伴,宇航员哈里森·“杰克”·施密特,盯着它并拍了一些照片。

“嘿,看看那断崖是如何延伸到那边的,”地质学家施密特说。“纹理有明显的改变。看看汉诺威[陨石坑]附近。”

“好的。哦,天哪;是的,我现在明白你在说什么了。它看起来像是断崖覆盖在北马西夫山之上,不是吗?”塞尔南说。


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“是的,”施密特说。他对休斯顿叙述了他所看到的:“断崖-北马西夫山接触面的外观是断崖纹理更光滑,陨石坑更少,当然线条也更少。如果它像吉恩说的那样更年轻,我一点也不会感到惊讶。”

施密特的意思是,断崖是在山脉隆起之后形成的。换句话说,有什么东西移动了山脉。月球深处有什么东西在搅动,它的表面发生了移动。

这可能发生在数千万年前。但在月球的其他地方,这种情况正在发生。科学家们首次将地震数据与不断变化的月球地貌联系起来,表明月球今天在地质构造上仍然活跃,并且正在建造新的露头,并因之而崩落巨石。根据一项新的研究,沿着断层网络发生的规律性月震能量足以摇晃在月球上行走的宇航员,并动摇未来栖息地的地基,这项研究发表在《自然·地球科学》杂志上。

“如果你对前哨站感兴趣,并且期望在那里待一段时间,你需要注意,如果你离这些断层太近,你的建筑物将会晃动,”史密森尼学会国家航空航天博物馆的地球物理学家汤姆·沃特斯说。

月震,重温

在阿波罗时代,塞尔南、施密特和他们的前辈留下的地震仪器显示,月球偶尔会发生地震。这些地震主要与内部冷却和地球引力潮汐力有关。它们大多发生在月球深处,威力不足以影响月球表面的变化。

当NASA的月球勘测轨道飞行器(LRO)在2009年开始拍摄高分辨率图像时,科学家们意识到月球有许多像李-林肯断崖这样的断崖,包括许多只有几米高的小断崖。沃特斯说,后者是小的悬崖状地貌,几乎不可能从轨道上看到,只有LRO的高分辨率相机才能辨认出来。

“你可以把它们想象成你走上去时的阶梯,”他说。“你不可能走过一个而不知道它的存在,但如果你没有合适的分辨率和合适的照明条件,你就不会看到它们。”

借助LRO的高分辨率图像,科学家们开始仔细研究大量的断崖并计数陨石坑,这是一种推断断崖年龄的方法。2012年,沃特斯发现,断崖和相关的地貌——细长的山谷,称为地堑——是最近形成的,可能最近在5000万年前。

“我们都逐渐趋同于这些东西真的很年轻的观点。这总是让你产生一个有趣的猜想,也许这些东西仍然活跃,也许这些断层正在向我们展示月球上当前的地质构造活动,”沃特斯说。“但我们已经用尽了真正改进年龄的方法。” 并且无法将月震与不断变化的地表特征联系起来。

月球——以及火星,就此而言——上的地质构造活动与地球上的地质构造活动不同。我们的星球有板块构造,地球破裂的地壳向下俯冲、融化并自我循环。地球板块边界的碰撞是地震、火山和海底扩张的主要原因。月球和火星没有移动的板块,因此内部震动是内部热量的结果。就月球而言,地震发生是因为它正在失去原始热量——字面上来说,是它诞生时的温暖——并在冷却时收缩。

从1969年到1977年运行的四个阿波罗地震站统计了多次深层地震和仅28次浅层地震,其中一些地震相当于里氏震级5级左右的震动。NASA马歇尔太空飞行中心的地震学家蕾妮·韦伯说,浅层地震更像我们在地球上经历的地震。

一旦LRO图像显示出多个断崖——以及岩堆、滑坡和其他表明月球正在震动的特征——她和同事们决定回顾阿波罗记录,试图将特定的月震与月球表面的特征联系起来。

该团队不得不进行一系列复杂的计算和模拟,部分原因是阿波罗记录非常难以使用。韦伯说,阿波罗是首次有人尝试数字化地震数据。更重要的是,月球松散的月壤会削弱地震波,使其更难追溯到震源。

经过几年的分析,该团队能够确定八次阿波罗月震的震中,并将它们与LRO观测到的特定断层联系起来。他们甚至能够将它们与月球绕地球的轨道位置相关联,发现更多的月震发生在远地点,即月球离地球最远,地球引力减弱的时候。

休斯顿月球与行星研究所的月球科学家帕特里克·麦戈文说,虽然阿波罗地震数据显示月球正在震动和搅动,但LRO相机对于展示这种内部动荡是如何改变地表的至关重要,他没有参与这项工作。

“在像LRO这样的东西出现之前,我们对它究竟是如何表现出来的视而不见。LRO的意义在于我们可以看到所有这些断层断崖,我们可以将它与七十年代的数据联系起来,来说明有多少活动以及它是如何分布的,”他说。“这有点像我们只掌握了半张图片,而现在我们有了完整的图片。”

行星际地震学

沃特斯和韦伯说,地震发生是因为月球在冷却时收缩。想象一下一块过熟的水果:随着内部收缩和干燥,外皮会起皱和下垂。

“当你的固体表面是脆性的时候,并且你辐射热量,行星就会收缩。冷却的东西会收缩,”韦伯说。“表面有点像葡萄变成葡萄干一样弯曲。表皮的表面积没有改变;它只是变得褶皱和自身折叠起来。” 换句话说,塞尔南和施密特(以及后来的LRO)瞥见的李-林肯断崖的耸肩状轮廓是皱巴巴的葡萄皮,是这些断层之一的结果。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的地球物理学家弗朗西斯·尼莫说,绘制这些和其他最近的月震图可以更深入地了解月球的历史和结构,他没有参与这项新研究。它甚至可以帮助科学家试图了解其他地方——即火星——的地震起源。

月震历史的出现正值科学家们正在下载来自红色星球上的洞察号着陆器的第一批数据,这是一项旨在探测那个世界深层内部的地震学任务。到目前为止,火星似乎比人们预期的地震活动略少。“月球和火星之间最大的区别之一是潮汐在月球上更为重要。尼莫说,月球具有地震活动性可能与它受到潮汐的挤压和拉伸有很大关系。”

韦伯是洞察号团队的研究人员,她说她希望未来载人或机器人着陆可以部署更广泛的地震网络进行长期监测。麦戈文认为,这样的网络可以确保任何追随塞尔南和施密特脚步的宇航员的安全。

“结果可能证明这不是什么大不了的事,或者结果可能证明有些地方比其他地方更安全,”麦戈文说。也许金牛座-利特罗山谷和李-林肯断崖不是再次访问的最佳地点。

1972年12月13日,在他们研究断崖的第二天,塞尔南和施密特将车停得更靠近北马西夫山的山脚。在6号地质站,两人爬到一块巨大的灰色巨石附近,这块巨石在从马西夫山滚落的过程中断成了两半。它高耸在施密特之上。

“嘿,”他对塞尔南喊道。“我正站在一块巨石的轨迹上。你感觉如何?”

“感觉就像我要过来做一些采样,”塞尔南说。他停顿了一下。“想想看,如果在那块巨石滚下来之前你站在那里会是什么样子。”

“我宁愿不去想它,”施密特回答道。

根据后来的地球化学分析,那块特殊的巨石大约在2200万年前滚落下来。但沃特斯的研究表明,其他像它一样的巨石可能会在明天——或任何时候——滚落下来,被一个仍然活跃,并且在某种程度上仍然鲜活的世界的内部骚动所震松。

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