这是用户在 2024-12-24 11:16 为 https://app.immersivetranslate.com/pdf-pro/f1c99923-7581-4730-8db2-301f84769805 保存的双语快照页面，由 沉浸式翻译 提供双语支持。了解如何保存？

大约 43.5 亿年前的潮汐驱动的再熔化表明月球很古老


https://doi.org/10.1038/s41586-024-08231-0 收稿日期： 2024-4-17 录用日期：2024-10-16
在线发布日期：2024-12-18
开放获取 检查更新
弗朗西斯·尼莫 1 ⊠ 1 ⊠ ^(1⊠){ }^{1 \boxtimes}、Thorsten Kleine 2 2 ^(2){ }^{2}& Alessandro Morbidelli 3 , 4 3 , 4 ^(3,4){ }^{3,4}
弗朗西斯·尼莫 1 ⊠ 1 ⊠ ^(1⊠){ }^{1 \boxtimes} ，托尔斯滕·克莱恩 2 2 ^(2){ }^{2} 和亚历山德罗·莫比德利 3 , 4 3 , 4 ^(3,4){ }^{3,4}

抽象

上一次对地球的巨大撞击被认为形成了月球 1 1 ^(1){ }^{1}.这一事件的时间可以通过对假设是从月球岩浆海洋 （LMO） 结晶的不同岩石进行测年来确定的。这导致对 4.35 至 45.1 亿年前 （Ga） 之间的月球年龄的估计范围很广，具体取决于月球全岩样本的年龄是否 2 − 4 2 − 4 ^(2-4){ }^{2-4}或单个锆石颗粒 5 − 7 5 − 7 ^(5-7){ }^{5-7}使用。在这里，我们认为频繁出现的大约 4.35 − Ga 4.35 − Ga 4.35-Ga4.35-\mathrm{Ga}月球岩石中的年龄和锆石年龄的峰值大约同时发生 8 8 ^(8){ }^{8}表示由月球轨道演化驱动的再熔化事件，而不是 LMO 的原始结晶。我们表明，在通过拉普拉斯平面跃迁期间 9 9 ^(9){ }^{9}，月球经历了足够的潮汐加热和融化，以重置大多数月球样本的形成年龄，同时保持了早期的冻结形状 10 10 ^(10){ }^{10}以及罕见的、较早形成的锆石。这种范式调和了对 LMO 结晶时间估计的现有差异，并允许在太阳系形成后的数千万年内形成月球，这与类地行星形成的动力学模型一致 11 11 ^(11){ }^{11}.月球的重新熔化也解释了月球撞击盆地的数量比预期的要少 12 , 13 12 , 13 ^(12,13){ }^{12,13}，并允许在月球形成后吸积到月球上的行星体中的金属被转移到月球核心，这解释了与地球相比，月球中此类物质的明显不足 14 14 ^(14){ }^{14}.
上一次对地球的巨大撞击被认为形成了月球 1 1 ^(1){ }^{1} .这一事件的时间可以通过对假设是从月球岩浆海洋 （LMO） 结晶的不同岩石进行测年来确定的。这导致对 4.35 至 45.1 亿年前 （Ga） 之间的月球年龄的估计范围很广，具体取决于月球全岩样本的年龄是否 2 − 4 2 − 4 ^(2-4){ }^{2-4} 或单个锆石颗粒 5 − 7 5 − 7 ^(5-7){ }^{5-7} 使用。在这里，我们认为频繁出现的大约 4.35 − Ga 4.35 − Ga 4.35-Ga4.35-\mathrm{Ga} 月球岩石中的年龄和锆石年龄的峰值大约同时发生 8 8 ^(8){ }^{8} 表示由月球轨道演化驱动的再熔化事件，而不是 LMO 的原始结晶。我们表明，在通过拉普拉斯平面跃迁期间 9 9 ^(9){ }^{9} ，月球经历了足够的潮汐加热和融化，以重置大多数月球样本的形成年龄，同时保持了早期的冻结形状 10 10 ^(10){ }^{10} 以及罕见的、较早形成的锆石。这种范式调和了对 LMO 结晶时间估计的现有差异，并允许在太阳系形成后的数千万年内形成月球，这与类地行星形成的动力学模型一致 11 11 ^(11){ }^{11} .月球的重新熔化也解释了月球撞击盆地的数量比预期的要少 12 , 13 12 , 13 ^(12,13){ }^{12,13} ，并允许在月球形成后吸积到月球上的行星体中的金属被转移到月球核心，这解释了与地球相比，月球中此类物质的明显不足 14 14 ^(14){ }^{14} 。

月球的年龄可以通过测年来确定，该过程会导致合适的放射性核素天文台表的母元素和子元素发生化学分馏，并且可能与月球本身的形成密切相关。其中一个过程是月球岩浆海洋 （LMO） 的结晶，这导致早期镁铁质累积物的密度驱动分离，这些积累物从漂浮到 LMO 顶部的富含斜长石的积累物中沉到底部，形成主导月壳的铁异长石 （FAN） 15 15 ^(15){ }^{15}.改性活生物体的结晶产生了一种称为 KREEP（用于钾、稀土元素和磷的强烈富集）的残留液体，其形成通常用于标记改性活生物体凝固的结束 15 15 ^(15){ }^{15}.改性活生物体的不同早期和晚期形成产物的年龄非常一致，并且都给出了大约 43.5 亿年前的年龄 （ Ga ），包括 （1） FAN 最可靠的结晶年龄，（2） 147 Sm − 143 Nd 147 Sm − 143 Nd ^(147)Sm-^(143)Nd{ }^{147} \mathrm{Sm}-{ }^{143} \mathrm{Nd}和 176 Lu 176 Hf 176 Lu 176 Hf ^(176)Lu^(176)Hf{ }^{176} \mathrm{Lu}{ }^{176} \mathrm{Hf}KREEP 的模型年龄，（3） 整块岩石 146 Sm − 142 Nd 146 Sm − 142 Nd ^(146)Sm^(-142)Nd{ }^{146} \mathrm{Sm}^{-142} \mathrm{Nd}FAN 的等时线、马玄武岩（通过重熔 LMO 的镁铁质累积物形成）和 KREEP，以及 （4） 镁组的结晶年龄（Mg 组;代表侵入早期形成的异正生地壳的熔体）（见参考文献 16 中的年龄摘要）。这些年龄被解释为反映了 LMO 的快速结晶和月球的晚期形成，约为 4.35 Ga（参考文献 2,4,16）。然而，热演化模型预测了更持久的 LMO 凝固，并且在此类模型的框架内解释上述年龄会导致估计月球形成时间更早 4.425 ± 0.025 Ga 4.425 ± 0.025 Ga 4.425+-0.025Ga4.425 \pm 0.025 \mathrm{Ga}（参考文献 17）。
月球的年龄可以通过测年来确定，该过程会导致合适的放射性核素天文台表的母元素和子元素发生化学分馏，并且可能与月球本身的形成密切相关。其中一个过程是月球岩浆海洋 （LMO） 的结晶，这导致早期镁铁质累积物的密度驱动分离，这些积累物从漂浮到 LMO 顶部的富含斜长石的积累物中沉入底部，形成主导月壳 15 15 ^(15){ }^{15} 的铁异长石 （FAN）。LMO 的结晶产生了一种称为 KREEP（用于强烈富集钾、稀土元素和磷）的残留液体，其形成经常用于标记 LMO 凝固 15 15 ^(15){ }^{15} 的结束。改性活生物体的不同早期和晚期形成产物的年龄非常一致，并且都给出了大约 43.5 亿年前的年龄 （Ga），包括 （1） FAN 最可靠的结晶年龄，（2） 147 Sm − 143 Nd 147 Sm − 143 Nd ^(147)Sm-^(143)Nd{ }^{147} \mathrm{Sm}-{ }^{143} \mathrm{Nd} 176 Lu 176 Hf 176 Lu 176 Hf ^(176)Lu^(176)Hf{ }^{176} \mathrm{Lu}{ }^{176} \mathrm{Hf} KREEP 的模型年龄，（3） FAN 的全岩石 146 Sm − 142 Nd 146 Sm − 142 Nd ^(146)Sm^(-142)Nd{ }^{146} \mathrm{Sm}^{-142} \mathrm{Nd} 等时线，马玄武岩（由 LMO 的镁铁质积累物重熔形成）和 KREEP， （4） 镁岩岩这些年龄被解释为反映了 LMO 的快速结晶和月球的晚期形成，约为 4.35 Ga（参考文献 2,4,16）。然而，热演化模型预测了更持久的 LMO 凝固，在此类模型的框架内解释上述年龄会导致估计月球形成时间较早（ 4.425 ± 0.025 Ga 4.425 ± 0.025 Ga 4.425+-0.025Ga4.425 \pm 0.025 \mathrm{Ga} 参考文献 17）。
无论哪种方式，这些年轻的提议年龄都是有问题的，原因有两个。首先，与大多数行星形成动力学模型的预测相比，它们为时已晚 11 , 18 11 , 18 ^(11,18){ }^{11,18}.其次，它们与年龄较大的稀有月球锆石的出现不一致 5 , 7 5 , 7 ^(5,7){ }^{5,7}和铪同位素组成表明源自 KREEP 源，该源可能早在大约 4.5 Ga 时形成（参考文献 6），这意味着月球可能形成得更早。已经根据大约 4.51 Ga 的铷锶模型提出了早期月球形成年龄，该模型用于计算月球挥发性损失 19 19 ^(19){ }^{19}以及用于月核形成的大约 4.52 Ga 铪钨 （Hf-W） 模型年龄 20 20 ^(20){ }^{20}，但这两个年龄的真实性存在争议 21 , 22 21 , 22 ^(21,22){ }^{21,22}.尽管如此，如果月球确实形成得很早，那么大约 4.35 − Ga 4.35 − Ga 4.35-Ga4.35-\mathrm{Ga}月龄必须记录与 LMO 16 LMO 16 LMO^(16)\mathrm{LMO}^{16};其中一种可能的事件是大撞击，例如，形成南极-艾特肯 （SPA） 盆地的撞击 8 8 ^(8){ }^{8}.
在这里，我们认为大约 4.35 Ga 的年龄记录了潮汐加热的事件，与月球的形成或撞击后原始岩浆海洋的结晶没有直接关系。潮汐加热以前曾被提出来解释月球的一些长波长地壳特征 23 23 ^(23){ }^{23}.潮汐加热的卫星是一个类似于木星卫星木卫一的“热管”体，其中热量是通过侵入或喷发表面的热熔化来平流的，而不是被传导的 24 , 25 24 , 25 ^(24,25){ }^{24,25}.在这张图片中，部分熔体迅速渗透穿过月幔，导致广泛的同位素再平衡。物质的持续喷发阻止了
在这里，我们认为大约 4.35 Ga 的年龄记录了潮汐加热的事件，与月球的形成或撞击后原始岩浆海洋的结晶没有直接关系。潮汐加热以前曾被提出来解释月球的一些长波长地壳特征 23 23 ^(23){ }^{23} 。潮汐加热的月球是一个类似于木星卫星木卫一的“热管”体，其中热量是通过侵入或喷发表面的热熔化来平流的，而不是被传导 24 , 25 24 , 25 ^(24,25){ }^{24,25} 的。在这张图片中，部分熔体迅速渗透穿过月幔，导致广泛的同位素再平衡。物质的持续喷发阻止了
图 1|假设的事件时间线。月球形成和最初岩浆海洋冻结的时间尚不确定。锆石在 LMO 结晶的最后阶段形成，然后在喷发期间向上运输。月球可能在 5 R E 5 R E 5R_(E)5 R_{\mathrm{E}}（参考文献 53）及其形状冻结在大约 12 R E 12 R E 12R_(E)12 R_{\mathrm{E}}（见正文），并且没有被后来的真岩浆洋潮
图 1|假设的事件时间线。月球形成和最初岩浆海洋冻结的时间尚不确定。锆石在 LMO 结晶的最后阶段形成，然后在喷发期间向上运输。月球可能在大约 5 R E 5 R E 5R_(E)5 R_{\mathrm{E}} （参考文献 53）形成，它的形状大约在 12 R E 12 R E 12R_(E)12 R_{\mathrm{E}} （见正文）冻结，并且没有被后来的潮汐加热事件 （LPT） 改变汐加热事件 （LPT） 所改变 26 26 ^(26){ }^{26}并导致外壳快速埋藏和/或重新加热。如下所示，这些过程通常会导致经常用于测定月球样本测年的同位素系统的热重置，也许与一些近地表锆石中的同位素系统不同。因此，大约 4.35 Ga 的潮汐驱动的再熔化事件解决了现有的月球年代学悖论，并提供了有关地球潮汐耗散如何随时间变化的信息。图 1 总结了我们预测的事件时间线。
真正的岩浆海洋 26 26 ^(26){ }^{26} ，导致地壳快速掩埋和/或再加热。如下所示，这些过程通常会导致经常用于测定月球样本测年的同位素系统的热重置，也许与一些近地表锆石中的同位素系统不同。因此，大约 4.35 Ga 的潮汐驱动的再熔化事件解决了现有的月球年代学悖论，并提供了有关地球潮汐耗散如何随时间变化的信息。图 1 总结了我们预测的事件时间线。

拉普拉斯平面转变期间的重熔温度为 4.35Ga
拉普拉斯平面转变期间的重熔温度为 4.35Ga

可以确定月球潮汐加热的三种可能事件：大约在 8 个地球半径处的 evection 共振 ( R E ) 27 − 29 R E 27 − 29 (R_(E))^(27-29)\left(R_{\mathrm{E}}\right)^{27-29};拉普拉斯平面过渡 （LPT），位于 16-22 R E R E R_(E)R_{\mathrm{E}}（参考文献 9）以及相关的内部和外部 3：2 谐振 30 30 ^(30){ }^{30};以及卡西尼状态转换，在 30-34 处 R E R E R_(E)R_{\mathrm{E}}（参考文献 31）。这些共振分别发生：当月球的轨道岁差周期等于一年时;当太阳和地球对月球轨道岁差的影响相等时;以及当月球自旋和轨道岁差周期相等时。在这些跃迁中，卡西尼状态跃迁发生在最大的半长轴上，因此潮汐加热的幅度很低。典型值小于 0.1 W m − 2 0.1 W m − 2 0.1Wm^(-2)0.1 \mathrm{~W} \mathrm{~m}^{-2}（参考文献 32），这不太可能引发月球的广泛融化。由于下面解释的原因，月球穿过 evection 共振不太可能成为再熔化的主要驱动力，仅仅是因为，要发生在 4.35 Ga ，它需要早期地球非常不耗散，甚至比木星还要少，这是不可信的。出于这些原因，我们在这里关注 LPT，它最初是为了解释月球轨道的高倾角而提出的 9 9 ^(9){ }^{9}.
LPT 期间的峰值潮汐加热速率估计为 10 14 10 14 10^(14)10^{14} 10 15 W ( 3 − 30 W m − 2 ) 10 15 W 3 − 30 W m − 2 10^(15)W(3-30(W)m^(-2))10^{15} \mathrm{~W}\left(3-30 \mathrm{~W} \mathrm{~m}^{-2}\right)几千万年到几千万年 9 , 30 , 33 9 , 30 , 33 ^(9,30,33){ }^{9,30,33}.能量释放量大的主要原因是高轨道偏心率导致强烈的潮汐加热和月球半长轴的快速减小。LPT 期间的热通量范围可以与当今的潮汐产热速率进行比较，约为 lo 2.5 W m − 2 2.5 W m − 2 2.5Wm^(-2)2.5 \mathrm{~W} \mathrm{~m}^{-2}（参考文献 34），表明月球在 LPT 期间经历了类似 Io 或更大的热通量。
这些高热通量意味着巨大的地幔融化和火山活动。假设潮汐产生的热量通过熔体的平流从地幔中带走，我们可以计算出整个地幔通过熔化区需要多长时间（方法）。图 2 显示，对于估计的 LPT 热通量，这个时间尺度大约需要几百万年，具体取决于熔融分数。因此，在 LPT 加热事件的持续时间内 9 , 30 9 , 30 ^(9,30){ }^{9,30}，我们预计整个地幔将部分重新熔化几次。然而，由于熔融的快速去除，我们预计不会形成真正的岩浆海洋 26 26 ^(26){ }^{26}. 大约  .大约 19 R E 19 R E 19R_(E)19 R_{\mathrm{E}}.然而，与此事件相关的强烈火山活动和再加热和/或掩埋重置了除遗留锆石之外的所有地壳天文钟，并抹去了先前存在的撞击盆地。这里以百万年为单位的时间 （Myr） 是从太阳系形成前的 4,568 Myr 向前计算的。

地壳回收和锆石重置

LPT 期间产生的熔体可能主要在表面喷发或侵入地壳内部;月球的不同区域将以侵入或挤压为主，具体取决于熔体和地壳之间的局部密度对比 35 35 ^(35){ }^{35}.预先存在的无形地壳块体密度低，很可能以侵入为主。
对于所有熔体都喷发到地表的端元情况，地壳物质不断被埋藏，并通过喷发的熔岩向下平流。足够深的埋设将导致热重置，并最终重新熔化。重置整个外壳的特征时间刻度 t 0 t 0 t_(0)t_{0}只是 t 0 = h c / u t 0 = h c / u t_(0)=h_(c)//ut_{0}=h_{\mathrm{c}} / u哪里 h c h c h_(c)h_{\mathrm{c}}是地壳厚度， u u uu是真实平均的垂直熔融速度。图 2 将地壳再循环时间绘制为热通量的函数，并显示对于 LPT 范围 3 − 30 W m − 2 3 − 30 W m − 2 3-30Wm^(-2)3-30 \mathrm{~W} \mathrm{~m}^{-2}，这次大约是 0.1 − 1 Myr 0.1 − 1 Myr 0.1-1Myr0.1-1 \mathrm{Myr}（方法）。鉴于 LPT 的持续时间可能为几到数千万年 9 , 30 , 33 9 , 30 , 33 ^(9,30,33){ }^{9,30,33}，预计会完全回收，因此这些地区记录的最终地壳年龄将只是 LPT 驱动的回收停止的时间。
对于经历侵入而不是喷发火山活动的地区，我们创建了一个简单的传导热演化模型来研究多个侵入的影响，并跟踪这些侵入是如何重置的
图 2|回收和熔化时间尺度以及弹性厚度与热通量的关系。阴影框表示 LPT 期间推断的潮汐热通量 9 9 ^(9){ }^{9}.与潮汐加热事件的几到数千万年的持续时间相比，热管月球可以保留厚厚的弹性层，同时在短时间内回收整个地壳并重新熔化整个地幔。地壳厚度为 40 公里，并且 ϕ ϕ phi\phi是平均地幔熔融分数。更多详细信息可以在 方法.
图 3|侵入对锆石的影响 P b − P b P b − P b Pb-Pb\mathbf{P b - P b}关闭年龄。潮汐加热和侵入从 0 Myr 开始，到 3.5 Myr 结束。a，我们的热模型的单一实现。红色实线表示从 0 Myr 到 3.5 Myr 的等间隔时间的温度;灰色和黑色虚线从 5 Myr 到 55 Myr 。绿色十字表示单个侵入体的深度，此处的侵入尺度高度为 20 公里。红色圆圈表示 Pb − Pb Pb − Pb Pb-Pb\mathrm{Pb}-\mathrm{Pb}的关闭时间 50 − μ m 50 − μ m 50-mum50-\mu \mathrm{m}-半径锆石。负值表示永不重置的 Zircon。乙
这里我们假设熔体平流速度 u = 6 cm yr − 1 u = 6 cm yr − 1 u=6cmyr^(-1)u=6 \mathrm{~cm} \mathrm{yr}^{-1}侵入厚度为 2 km （方法）。 b b b\mathbf{b}、 的直方图 Pb − Pb Pb − Pb Pb-Pb\mathrm{Pb}-\mathrm{Pb}从 30 个实现开始的 Closure time，其中计数标准化为最大值。负闭合时间意味着锆石永远不会被重置，因此年龄的分布是任意的。值得注意的是，明显的峰值与潮汐加热事件的结束大致重合。凝固，富含斜长石的累积物类似于 FAN 和 KREEP。因此，Mg 套件必须是在初始 LMO 结晶后通过重熔形成的 37 37 ^(37){ }^{37}.Mg-suite 岩石的结晶年龄也聚集在大约 4.35 Ga 附近，到目前为止，这已经解释为在 LMO 快速凝固后立即由于累积翻转而导致的再熔化 16 16 ^(16){ }^{16}.然而，月球的潮汐再熔化将导致熔体侵入任何预先存在的地壳中，自然而然地解释了 Mg 组岩和早期形成的 FAN 之间的密切时间联系。我们的模型表明，这些侵入导致附近 FAN 的年龄重置（扩展数据图 1），与 FAN 和 Mg 套件岩石无法区分的年龄一致。此外，这种情况允许为那些远离任何侵入体的 FAN 保留较老的年龄，尽管目前此类岩石的证据很弱 39 39 ^(39){ }^{39}.
这里我们假设熔体平流速度 u = 6 cm yr − 1 u = 6 cm yr − 1 u=6cmyr^(-1)u=6 \mathrm{~cm} \mathrm{yr}^{-1} 侵入厚度为 2 km （方法）。 b b b\mathbf{b} 、 的直方图 Pb − Pb Pb − Pb Pb-Pb\mathrm{Pb}-\mathrm{Pb} 37 37 ^(37){ }^{37} .镁岩的结晶年龄也聚集在大约 4.35 Ga 附近，到目前为止，这已经用 LMO 快速凝固后立即由于累积翻转而导致的再熔化来解释 16 16 ^(16){ }^{16} 。然而，月球的潮汐再熔化将导致熔体侵入任何预先存在的地壳中，自然而然地解释了 Mg 组岩和早期形成的 FAN 之间的密切时间联系。我们的模型表明，这些侵入导致附近 FAN 的年龄重置（扩展数据图 1），与 FAN 和 Mg 套件岩石无法区分的年龄一致。此外，这种情况允许为那些远离任何侵入体的 FAN 保留较老的年龄，尽管目前此类岩石的证据很弱 39 39 ^(39){ }^{39} 。
虽然原则上 SPA 盆地 8 8 ^(8){ }^{8}或更古老的、预测的 Procellarum 盆地 40 40 ^(40){ }^{40}可能导致大约 4.35 − Ga 4.35 − Ga 4.35-Ga4.35-\mathrm{Ga}月龄、最近的模型和方法中记录的分析并没有为这些想法提供强有力的支持。在我们的模型中，SPA 盆地应小于 4.35 Ga，否则它将被擦除。

对月球早期演化的影响

月球在大约 4.35 Ga 的潮汐诱导再熔化与月球的几个突出特征一致，包括月球化石隆起的幸存、古代撞击盆地的缺失以及地球和月球不同的晚期增生历史。月球似乎在更早的某个时代“冻结”了它的形状，当时它更靠近地球并且具有不同的轨道或旋转特性 10 , 41 10 , 41 ^(10,41){ }^{10,41}.尽管细节存在争议，但在这个化石隆起中冻结需要形成刚性弹性层，这不能被后来的潮汐加热事件破坏。重要的是，挤压式热管体的特征之一是，大部分地壳在任何时候都是凉爽和坚硬的 24 24 ^(24){ }^{24}，从而允许化石凸起持续存在。
以前的研究 10 10 ^(10){ }^{10}发现化石隆起可以解释，如果月球距离 13 R E 13 R E 13R_(E)13 R_{\mathrm{E}}，而弹性厚度 T e T e T_(e)T_{\mathrm{e}}的 25 公里需要半专业