Лунный магматический океан - Lunar magma ocean

Упрощенная анимация последовательности кристаллизации Океана Лунной Магмы.
Анимация, показывающая поперечное сечение Океана Лунной Магмы по мере его кристаллизации с течением времени. Первые образующиеся твердые вещества (например, оливин) плотнее окружающей магмы, поэтому опускаются внутрь. После того, как примерно 80% Лунного океана магмы кристаллизовалось, менее плотные твердые вещества (например, плагиоклаз) начинают формироваться и всплывать к поверхности, образуя изначальную кору Луны.

Лунные магмы океан (LMO) представляет собой слой расплавленной породы , который предположил, что присутствует на поверхности Луны . Океан лунной магмы, вероятно, присутствовал на Луне с момента образования Луны (около 4,5 или 4,4 миллиарда лет назад) до десятков или сотен миллионов лет после этого времени. Это термодинамическое следствие относительно быстрого образования Луны в период после гигантского воздействия между прото Землями и другим планетарным телом. Когда Луна образовалась от обломков гигантского удара, гравитационная потенциальная энергия была преобразована в тепловую . Из-за быстрой аккреции Луны (примерно от месяца до года) тепловая энергия была захвачена, так как у нее не было достаточно времени для теплового излучения энергии через поверхность Луны. Последующая термохимическая эволюция Лунного магматического океана объясняет в основном анортозитную корку Луны , аномалию европия и материал KREEP .

Океан лунной магмы был первоначально предложен двумя группами в 1970 году после того, как они проанализировали фрагменты анортозитовой породы, найденные в коллекции образцов Аполлона-11 . Wood et al. для анализа использовали фрагменты основной пробы 10085. Ферроанортозитовые породы, обнаруженные во время программы Apollo , состоят в основном (более 90%) из минерального плагиоклаза . В частности, железо-анортозитовые породы, обнаруженные на Луне, состоят из кальциевого (Ca) конечного члена плагиоклаза (то есть анортита ). Это говорит о том, что по крайней мере верхние слои Луны были расплавлены в прошлом из-за чистоты лунных анортозитов и того факта, что анортит обычно имеет высокую температуру кристаллизации.

Лунная ферроанортозитовая порода с Аполлона-16
Лунный ферроанортозит с Аполлона-16 ( образец 60025 ).

Начальное состояние

Гистограмма, показывающая семь опубликованных оценок начального химического состава Лунного магматического океана в процентах по массе.
Семь опубликованных оценок (AG) начального химического состава Лунного магматического океана в процентах по массе. Второстепенные компоненты, такие как TiO 2 и Cr 2 O 3 , не показаны. [A] Taylor Whole Moon (TWM) от Taylor (1982), модифицированная в Elardo et al. (2011). [B] О'Нил (1991) в редакции Швингера и Брейера (2018). [C] Lunar Primitive Upper Mantle (LPUM) от Longhi (2006) с изменениями в Elardo et al. (2011). [D] Elkins-Tanton et al. (2011). [E] Morgan et al. (1978). [F] Рингвуд и Кессон (1976). [G] Уоррен (1986).

При рассмотрении начального состояния океана лунной магмы есть три важных параметра: химический состав, глубина и температура. Эти три параметра во многом определяют термохимическую эволюцию. Для Океана Лунной Магмы существуют неопределенности, связанные с каждым из этих начальных условий. Типичный начальный химический состав составляет 47,1% SiO 2 , 33,1% MgO, 12,0% FeO, 4,0% Al 2 O 3 и 3,0% CaO (с незначительным вкладом других молекул), а также начальная глубина 1000 км и базальный уровень. температура 1900 К.

Исходный химический состав и глубина

Первоначальный химический состав океана лунной магмы оценивается на основе химического состава лунных образцов, а также химического состава и толщины современной лунной коры. Для целей компьютерного моделирования исходный химический состав обычно определяется в процентах по массе на основе системы основных молекул, таких как SiO 2 , MgO, FeO, Al 2 O 3 и CaO. Семь примеров начальных химических составов Океана Лунной Магмы из литературы показаны на рисунке справа. Эти составы в целом похожи на состав мантии Земли с основным отличием, заключающимся в некотором (например, Целая Луна Тейлора) или отсутствии улучшения (например, примитивная верхняя мантия Луны) тугоплавких элементов.

Расчетная начальная глубина Лунного океана магмы варьируется от 100 км до радиуса Луны.

Последовательность кристаллизации

Точная последовательность минералов, которые кристаллизуются из океана лунной магмы, зависит от начального состояния океана лунной магмы (а именно, химического состава, глубины и температуры). В соответствии с идеализированной реакционной серией Боуэна , как правило, сначала ожидается кристаллизация оливина , а затем - ортопироксена . Эти минералы более плотные, чем окружающая магма, и поэтому опускаются на дно Океана Лунной Магмы. Таким образом, первоначально ожидается, что Океан Лунной Магмы будет затвердевать снизу вверх. После кристаллизации около 80% океана лунной магмы минерал плагиоклаз кристаллизуется вместе с другими минералами. Камни, которые в основном состоят из плагиоклаза (т. Е. Анортозита), образуют и плавают к поверхности Луны, образуя изначальную кору Луны.

Продолжительность

Океан лунной магмы мог существовать от десятков до сотен миллионов лет после образования Луны. По оценкам, Луна образовалась между 52 и 152 миллионами лет после включения богатых кальцием и алюминием включений (CAI), которые, будучи самыми старыми твердыми телами в Солнечной системе, служат индикатором возраста Солнечной системы. Это, в свою очередь, оставляет неопределенным точное время формирования Океана Лунной Магмы. С другой стороны, конечная точка может быть указана возрастом ферроанортозита (FAN) образца 60025 (4,360 ± 0,003 млрд лет) и оценочным возрастом ur-KREEP (4,368 ± 0,029 млрд лет). Если Луна сформировалась рано (то есть через 52 миллиона лет после образования Солнечной системы) и образец ферроанортозита 60025, а также оценочный возраст ur-KREEP указывают, когда Лунный Магматический Океан полностью кристаллизовался, то Лунный Магматический Океан просуществовал бы около 155 миллионов лет. В этом случае компьютерные модели показывают, что для продления кристаллизации Лунного океана магмы требуется один или несколько источников тепла (например, приливное нагревание). С другой стороны, если Луна сформировалась поздно (то есть через 152 миллиона лет после образования Солнечной системы), то опять же с использованием возраста образца 60025 ферроанортозита и оценочного возраста ur-KREEP, Лунный океан магмы просуществовал около 55 миллионов лет. Это означало бы, что Океан Лунной Магмы не был продлен одним или несколькими дополнительными источниками тепла.

Хронология ранней лунной истории, показывающая примерное время образования Луны с учетом возраста Солнечной системы и доступный возраст образцов лунной коры.
Возраст наиболее достоверной пробы ферроанортозита (FAN) показан красным квадратом (полосы ошибок меньше маркера), а наилучшая оценка образования исходного слоя KREEP на глубине (т.е. ur-KREEP) показана темным. голубой треугольник. Серыми кружками показаны самые старые и самые молодые образцы ферроанортозита.

В прошлом разница в возрасте между самым старым и самым молодым образцами ферроанортозита использовалась для определения продолжительности существования океана лунной магмы. Это было проблематично из-за больших ошибок в определении возраста выборки и из-за того, что возраст некоторых выборок был сброшен из-за ударов. Например, самый старый образец ферроанортозита - 67016 с Sm-Nd возрастом 4.56 ± 0.07 млрд лет, а самый молодой - 62236 с Sm-Nd возрастом 4.29 ± 0.06 млрд лет. Разница между этими возрастами составляет 270 миллионов лет. Это снова будет означать, что у Лунного океана магмы есть дополнительный источник тепла, такой как приливное нагревание.

Опровержение доказательств

Одной из альтернативных модели Лунного Магматического Океана является модель Серийного Магматизма .

использованная литература