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赛先生

考古地球的诞生，我们发现了它和月球的关系

赛邓洪平约 9 分钟

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现今地幔深部的异质体或为导致月球形成的大碰撞事件遗迹 图源：邓洪平和杭州思斐迩科技有限公司

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导读：
      “上下未形，何由考之”。地球诞生之初是什么样？我们如何触摸到它几十亿年前的样貌？赛先生天文今天将为你深度介绍各领域学者如何搜寻多方证据，探索地球最初的状态。

邓洪平 ｜撰文

韩越扬 ｜编辑

地球已经45亿岁的高龄了。无数次天崩地裂、沧海横流的大事已隐入尘烟难觅踪影，但这或许不包括地球历史上最重大的事件——45亿年前的月球形成大碰撞。这一事件既是地球生长的终章又是漫长地质演化的起点。本期我们将介绍导致月球形成的大碰撞是如何塑造了地球演化的独特初始条件，以及深埋地球内部1000千米以下的大碰撞的可能遗迹。通过对这些遗迹的“考古”，我们可以了解到地球形成之初的样貌，和地球在早期太阳系中担当的角色，甚至地球何以演化成独一无二的宜居行星。

地球拥有一颗异常巨大的天然卫星——月球，其质量高达地球质量的1/80。然而，与地球质量相近的金星却并没有卫星，火星倒是有两颗卫星，但卫星质量却不及其千万分之一。目前主流的学说认为月球是原初地球（Gaia）在生长末期与一颗火星大小的原行星（Theia）发生碰撞的结果，即大碰撞事件。碰撞后，溅射出的岩石碎片会围绕Gaia形成了一个碎片盘，月球就是从该碎片盘中逐渐聚合生长而来。这一理论不仅可以很好地解释月球的动力学性质和其独特的物质组成，还能与类地行星的碰撞生长理论相契合。然而，对大碰撞理论的挑战却先于证据到来了。

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同位素危机
众所周知，很多元素均有多种质量数不同的同位素，比如氧元素有16O、 17O和18O三种同位素。来源不同的样品中（比如火星陨石和地表岩石），某种元素的同位素的相对含量并不相同。同位素比例因此被广泛应用于天体化学中，以追踪物质的来源情况；放射性同位素比例的异常还可以揭示某些重要事件的发生时间。比如，通过对位于墨西哥的希克苏鲁伯撞击坑中的岩石样品进行同位素分析，科学家估算出此次了撞击事件大约发生于6600万年前，恰好对应了白垩纪-古近纪灭绝事件（包括恐龙灭绝），甚至推断出了撞击地球的小天体成分特征以及它的来源（图1）。

Image图1.艺术家印象图：导致恐龙灭绝的小天体碰撞时间所遗留下的希克苏鲁伯撞击坑（Chicxulub Crater） 图源：DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE SOURCE

然而，导致月球形成的大碰撞事件所蕴含的能量，约为导致恐龙灭绝的小天体撞击事件的一亿倍以上。如此高能的条件下，岩石的应力可以忽略不计，换而言之，大碰撞事件中的天体撞击过程接近于流体过程，撞击后根本不会形成简单的撞击坑。数值模拟显示，此次碰撞将整个地球撕裂并重塑（见视频1）。大碰撞模拟还预言月球主要继承了来自Theia的物质，而Gaia由于巨大的体量只被Theia带来的物质轻度混染。由于碰撞前， Gaia和Theia的形成相对独立，它们的成分也应有所不同；碰撞后，新形成的月球（Theia成分主导）和地球（Gaia成分主导）应当拥有不同的物质成分。出人意料的是，通过对阿波罗月球样品的高精度同位素分析，天体化学家发现地表物质和月球的成分高度相似，暗示了它们的同一起源。这一观测和理论的矛盾催生了后续多个改进的大碰撞模型，但它们均面临其他方面的挑战。

视频1. 造成月球形成的大碰撞事件的无格点流体力学（MFM）模拟。此处用蓝色、深蓝色、红色、黄色标分别标记了Gaia地幔、地核和Theia地幔、地核，以展示碰撞中的湍流和物质混合情况。白色虚线圆圈直径为0.8倍地球半径（RE），代表了Gaia的深部区域。动画作者：毕榕熙
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分层的早期地球
2017年，笔者攻读博士学位期间，注意到这一问题，曾试图开发新的算法让Gaia和Theia充分混合，以抹去它们各自携带的同位素差异，从而解释月球和地表物质的高度相似性。事实上，大碰撞模拟中广泛应用的光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法，具有较高的数值粘度，并不擅长模拟亚声速的湍流和其导致的物质混合，但这一计算天体物理领域的共识却并未引起行星科学研究者的重视，大碰撞的模拟往往仍沿用传统的SPH方法。为此，我们开发了新的无格点计算流体力学方法（Meshless Finite Mass，MFM），通过大量的程序对比测试，发现新方法确实可以更为有效的捕捉微弱湍流带来的物质混合。
我们基于新的MFM方法，开展了一系列的数值模拟和分析。然而，却未能如愿地将Gaia和Theia均匀混合。研究中发现，由于Theia物质具有较高的角动量，且两者的碰撞接近于完全非弹性碰撞过程，角动量传导非常低效，Theia的地幔物质总是倾向“漂浮”在Gaia的表层，而无法大量下沉入Gaia的深部地幔。而且，Gaia的表层由于Theia物质反复冲击产生的激波而剧烈升温，形成熔融的岩浆洋。因此，碰撞后的早期地球总是呈现出地幔分层结构：上、下地幔拥有不同的成分和物态，其中上半部分地幔为岩浆洋，由Gaia和Theia充分混合而成，而下半部分地幔则基本为固态并保留了Gaia的物质成分。这一发现与大碰撞导致早期地球均一化的传统观念背道而驰，月球形成大碰撞反而是原始地幔不均一性的起源。之前的研究过度聚焦于碎片盘（月球的前身）的结构，却忽视了大碰撞对于早期地球的影响。
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图2. 导致月球形成的大碰撞事件发生前（左图）后（右图）Theia和Gaia的物质分布。图中半径R标记了碰撞后地幔内部熵发生跃升的位置，圆圈外的上层地幔为熔融的岩浆洋而圈内下层地幔则主要是固体。月球形成大碰撞后，早期地球上下地幔的成分也在此处发生跳变。图源：Deng et al. 2019 ApJ 887 211

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地球深处的异质体
这一早期地球的分层结构是否在现今地球中留下了某些痕迹呢？在与苏黎世联邦理工的地球物理学家讨论后，研究团队意识到这一地幔分层结构可能残存至今。
地球的整个下地幔由大碰撞前Gaia的物质主导，不同于上地幔的元素组成，下地幔中Gaia物质含有更接近球粒陨石的成分，硅元素的含量更高，因此具有更高的粘性，从而能在45亿年漫长的地幔对流演化过程中与上半地幔保持相对的独立（图3）。而这些残留在下地幔的古老Gaia物质，可能正对应了目前地幔中部（地表下1000 km左右深处）观测到的全球性地震波反射体（Mid-mantle Seismic Reflectors）。它们也可能是部分俯冲板块（slab）在地幔中部停滞，以及某些地幔柱（mantleplume，一种圆柱状的上升热流）在此区间发生转向的原因。另一方面，上层地幔（可采样地幔）与碎片盘（月球前身）的成分非常接近（见图2），地幔分层模型可以允许成分差异较大的Theia和原初地球在后者表层充分混合，从而吻合目前观测到的地月同位素相似性。
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图3. 一种可能的地幔演化的模式。下地幔具有较高的硅含量因此粘度更高，发展出不参与上地幔活动的富集布里奇曼石的古地幔结构(bridgmanite-enriched ancient mantle structures,BEAMS）。而进入下地幔的少量Theia地幔物质，则可能聚集成大型低速区（Large Low Velocity Provinces, LLVPs）,并诱发地幔柱活动。图片来源：Frédéric Deschamps/Nature Geoscience.

地幔中另一个令人瞩目的异常体，为地幔底部的两个异常区域（分别在非洲板块和太平洋板块下方），当地震波穿过它们时，地震波的波速明显降低。因此，这两块在地幔底部绵延几千公里的异常体被称为大型低速体（Large Low Velocity Provinces, LLVPs）。

加州理工学院的袁迁博士提出，LLVPs可由进入Gaia下地幔的少量Theia物质演化而来，并邀请笔者加入研究团队共同探索这一可能性。通过高精度大碰撞模拟，我们的研究团队发现与LLVPs质量相当的（约0.02倍地球质量）Theia地幔物质会进入到Gaia下层地幔。由于这些Theia地幔物质与月球岩石一样富集铁元素，所以比周围Gaia物质密度更高，因此将快速下沉至地幔底部，并在地幔的长期对流作用下形成两块显著的LLVPs区域，历经45亿年的地质演化仍稳定存在。

虽然不能像撞击坑一样轻易获得采样，但这些地幔深部的异质体也并非遥不可及。事实上，LLVPs可能和地幔柱的活动高度相关，而地幔柱可以将少量的深部异质体带到地表。通过研究冰岛岩浆岩样品中稀有气体的同位素比例，地球化学家发现这些样品包含异于普通地表物质的成分，代表了地幔深处年龄超过45亿年的异质体。未来，更为广泛深入的岩石样品分析结合更加准确的地球演化模型，将使得“考古”Gaia和Theia的残骸成为可能。

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前景与发展
月球形成大碰撞使得早期地球不可避免地发展出地幔分层结构（成分和物态分层），而这一原始的不均一性必将极大地影响了地球的演化路径。它可能导致了现今地幔中部的地震波反射体和底部的大型低速区的形成，而这些不均一性的存在也使得检验月球形成的大碰撞理论有了可能。

近年来，我国突飞猛进的探月计划将为此贡献关键的月球样品。通过对更为丰富的岩石样品的精确分析，结合更为完善的大碰撞模型、地球演化模型，我们不仅有望制约月球的形成理论还能更好地理解地球内部的物质循环。比如大型低速区对地幔的演化、地球的板块构造等均有重大影响，以至于影响到地球宜居环境的产生。或许，月球并非生命演化奇迹的旁观者，而是创造合适土壤的最初耕耘者。这些研究也将为我们理解和评估太阳系外类地行星的宜居性提供重要启发。Image

作者简介：

邓洪平，中国科学院上海天文台副研究员。2014年毕业于清华大学物理系，2019年于苏黎世大学获天体物理博士学位，2019-2021年于剑桥大学应用数学与理论物理系开展博士后研究。2022年回国加入地球2.0卫星团队，主要从事行星形成理论方面的工作。

参考文献：
[1]Canup R M, Righter K, Dauphas N, et al. Origin of the Moon[J]. arXiv preprint arXiv:2103.02045, 2021.

[2]Deng, H. et al. Enhanced mixing in Giant Impact simulations with a new Lagrangian method. Astrophys. J. 870, 127 (2019).

[3]Deng, H. et al. Primordial Earth mantle heterogeneity caused by the Moon-forming Giant Impact? Astrophys. J. 887, 211 (2019).

[4]Ballmer, M., Houser, C., Hernlund, J. et al. Persistence of strong silica-enriched domains in the Earth’s lower mantle. Nature Geosci 10, 236–240 (2017). 

[5]Waszek, L., Schmerr, N.C. & Ballmer, M.D. Global observations of reflectors in the mid-mantle with implications for mantle structure and dynamics. Nat Commun 9, 385 (2018)

[6]Yuan, Q., Li, M., Desch, S.J. et al. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies. Nature 623, 95–99 (2023).

[7]French, S., Romanowicz, B. Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots. Nature 525, 95–99 (2015). 

[8]Mukhopadhyay, S. Early differentiation and volatile accretion recorded in deep-mantle neon and xenon.Nature486, 101–104 (2012).

制版编辑｜思宇
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