阿波羅時代震動揭示月球的活力與活躍

月震仍然在震動和重塑月球表面,這可能會威脅未來的宇航員和棲息地

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

宇航員哈里森·“傑克”·施密特在金牛座-利特羅山谷工作,阿波羅17號的著陸點。

1972年12月12日,吉恩·塞爾南將他的月球車停在了寧靜海的東南邊緣,在一個名為金牛座-利特羅的山谷中。一座灰色的山丘,名為北馬西夫山,聳立在遠處。在其西側是一處坍塌的陡坡,綽號為李-林肯斷崖。這是一處滑坡,形成了一堵矮牆,似乎橫穿山谷,就像月球肩膀上的聳肩。塞爾南和他的同伴,宇航員哈里森·“傑克”·施密特,盯著它並拍了一些照片。

“嘿,看看那斷崖是如何延伸到那邊的,”地質學家施密特說。“紋理有明顯的改變。看看漢諾威[隕石坑]附近。”

“好的。哦,天哪;是的,我現在明白你在說什麼了。它看起來像是斷崖覆蓋在北馬西夫山之上,不是嗎?”塞爾南說。


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“是的,”施密特說。他對休斯頓敘述了他所看到的:“斷崖-北馬西夫山接觸面的外觀是斷崖紋理更光滑,隕石坑更少,當然線條也更少。如果它像吉恩說的那樣更年輕,我一點也不會感到驚訝。”

施密特的意思是,斷崖是在山脈隆起之後形成的。換句話說,有什麼東西移動了山脈。月球深處有什麼東西在攪動,它的表面發生了移動。

這可能發生在數千萬年前。但在月球的其他地方,這種情況正在發生。科學家們首次將地震資料與不斷變化的月球地貌聯絡起來,表明月球今天在地質構造上仍然活躍,並且正在建造新的露頭,並因之而崩落巨石。根據一項新的研究,沿著斷層網路發生的規律性月震能量足以搖晃在月球上行走的宇航員,並動搖未來棲息地的地基,這項研究發表在《自然·地球科學》雜誌上。

“如果你對前哨站感興趣,並且期望在那裡待一段時間,你需要注意,如果你離這些斷層太近,你的建築物將會晃動,”史密森尼學會國家航空航天博物館的地球物理學家湯姆·沃特斯說。

月震,重溫

在阿波羅時代,塞爾南、施密特和他們的前輩留下的地震儀器顯示,月球偶爾會發生地震。這些地震主要與內部冷卻和地球引力潮汐力有關。它們大多發生在月球深處,威力不足以影響月球表面的變化。

當NASA的月球勘測軌道飛行器(LRO)在2009年開始拍攝高解析度影像時,科學家們意識到月球有許多像李-林肯斷崖這樣的斷崖,包括許多隻有幾米高的小斷崖。沃特斯說,後者是小的懸崖狀地貌,幾乎不可能從軌道上看到,只有LRO的高解析度相機才能辨認出來。

“你可以把它們想象成你走上去時的階梯,”他說。“你不可能走過一個而不知道它的存在,但如果你沒有合適的解析度和合適的照明條件,你就不會看到它們。”

藉助LRO的高解析度影像,科學家們開始仔細研究大量的斷崖並計數隕石坑,這是一種推斷斷崖年齡的方法。2012年,沃特斯發現,斷崖和相關的地貌——細長的山谷,稱為地塹——是最近形成的,可能最近在5000萬年前。

“我們都逐漸趨同於這些東西真的很年輕的觀點。這總是讓你產生一個有趣的猜想,也許這些東西仍然活躍,也許這些斷層正在向我們展示月球上當前的地質構造活動,”沃特斯說。“但我們已經用盡了真正改進年齡的方法。” 並且無法將月震與不斷變化的地表特徵聯絡起來。

月球——以及火星,就此而言——上的地質構造活動與地球上的地質構造活動不同。我們的星球有板塊構造,地球破裂的地殼向下俯衝、融化並自我迴圈。地球板塊邊界的碰撞是地震、火山和海底擴張的主要原因。月球和火星沒有移動的板塊,因此內部震動是內部熱量的結果。就月球而言,地震發生是因為它正在失去原始熱量——字面上來說,是它誕生時的溫暖——並在冷卻時收縮。

從1969年到1977年執行的四個阿波羅地震站統計了多次深層地震和僅28次淺層地震,其中一些地震相當於里氏震級5級左右的震動。NASA馬歇爾太空飛行中心的地震學家蕾妮·韋伯說,淺層地震更像我們在地球上經歷的地震。

一旦LRO影像顯示出多個斷崖——以及巖堆、滑坡和其他表明月球正在震動的特徵——她和同事們決定回顧阿波羅記錄,試圖將特定的月震與月球表面的特徵聯絡起來。

該團隊不得不進行一系列複雜的計算和模擬,部分原因是阿波羅記錄非常難以使用。韋伯說,阿波羅是首次有人嘗試數字化地震資料。更重要的是,月球鬆散的月壤會削弱地震波,使其更難追溯到震源。

經過幾年的分析,該團隊能夠確定八次阿波羅月震的震中,並將它們與LRO觀測到的特定斷層聯絡起來。他們甚至能夠將它們與月球繞地球的軌道位置相關聯,發現更多的月震發生在遠地點,即月球離地球最遠,地球引力減弱的時候。

休斯頓月球與行星研究所的月球科學家帕特里克·麥戈文說,雖然阿波羅地震資料顯示月球正在震動和攪動,但LRO相機對於展示這種內部動盪是如何改變地表的至關重要,他沒有參與這項工作。

“在像LRO這樣的東西出現之前,我們對它究竟是如何表現出來的視而不見。LRO的意義在於我們可以看到所有這些斷層斷崖,我們可以將它與七十年代的資料聯絡起來,來說明有多少活動以及它是如何分佈的,”他說。“這有點像我們只掌握了半張圖片,而現在我們有了完整的圖片。”

行星際地震學

沃特斯和韋伯說,地震發生是因為月球在冷卻時收縮。想象一下一塊過熟的水果:隨著內部收縮和乾燥,外皮會起皺和下垂。

“當你的固體表面是脆性的時候,並且你輻射熱量,行星就會收縮。冷卻的東西會收縮,”韋伯說。“表面有點像葡萄變成葡萄乾一樣彎曲。表皮的表面積沒有改變;它只是變得褶皺和自身摺疊起來。” 換句話說,塞爾南和施密特(以及後來的LRO)瞥見的李-林肯斷崖的聳肩狀輪廓是皺巴巴的葡萄皮,是這些斷層之一的結果。

加利福尼亞大學聖克魯茲分校的地球物理學家弗朗西斯·尼莫說,繪製這些和其他最近的月震圖可以更深入地瞭解月球的歷史和結構,他沒有參與這項新研究。它甚至可以幫助科學家試圖瞭解其他地方——即火星——的地震起源。

月震歷史的出現正值科學家們正在下載來自紅色星球上的洞察號著陸器的第一批資料,這是一項旨在探測那個世界深層內部的地震學任務。到目前為止,火星似乎比人們預期的地震活動略少。“月球和火星之間最大的區別之一是潮汐在月球上更為重要。尼莫說,月球具有地震活動性可能與它受到潮汐的擠壓和拉伸有很大關係。”

韋伯是洞察號團隊的研究人員,她說她希望未來載人或機器人著陸可以部署更廣泛的地震網路進行長期監測。麥戈文認為,這樣的網路可以確保任何追隨塞爾南和施密特腳步的宇航員的安全。

“結果可能證明這不是什麼大不了的事,或者結果可能證明有些地方比其他地方更安全,”麥戈文說。也許金牛座-利特羅山谷和李-林肯斷崖不是再次訪問的最佳地點。

1972年12月13日,在他們研究斷崖的第二天,塞爾南和施密特將車停得更靠近北馬西夫山的山腳。在6號地質站,兩人爬到一塊巨大的灰色巨石附近,這塊巨石在從馬西夫山滾落的過程中斷成了兩半。它高聳在施密特之上。

“嘿,”他對塞爾南喊道。“我正站在一塊巨石的軌跡上。你感覺如何?”

“感覺就像我要過來做一些取樣,”塞爾南說。他停頓了一下。“想想看,如果在那塊巨石滾下來之前你站在那裡會是什麼樣子。”

“我寧願不去想它,”施密特回答道。

根據後來的地球化學分析,那塊特殊的巨石大約在2200萬年前滾落下來。但沃特斯的研究表明,其他像它一樣的巨石可能會在明天——或任何時候——滾落下來,被一個仍然活躍,並且在某種程度上仍然鮮活的世界的內部騷動所震松。

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