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新研究揭示了水星的地壳比任何人想象都要薄

发布时间:2018-05-14

这幅水星的图像是用红外线,红色和紫色滤光片制成的,可捕获人眼可见和不可见的波长;此处显示的颜色与人眼所看到的颜色略有不同。美国宇航局/约翰霍普金斯大学APL /卡内基华盛顿研究所

水星很小,速度快而且靠近太阳,这使得这个多岩石的世界具有挑战性。只有一个探测器曾经绕过地球,并收集了足够的数据来告诉科学家水星表面的化学和景观。然而,了解表面之下的东西需要仔细的评估。

探测器的任务在2015年结束后,行星科学家估计水星的地壳厚约22英里。亚利桑那大学的一位科学家不同意。

Lunar和行星实验室的助理科学家Michael Sori使用最新的数学公式,估计Mercurial地壳厚16英里,比铝密度更高。他的研究报告“水星的稀薄密集地壳”将于5月1日发表在“地球与行星科学快报”上,目前可在线获取。

Sori利用水星表面,空间环境和地球化学测距(MESSENGER)航天器收集的数据确定了水星的地壳密度。他用月球和行星实验室教授Isamu Matsuyama和加州大学伯克利分校科学家道格拉斯海明威的一个公式开发了他的估计。

索里的估计支持水星地壳主要通过火山活动形成的理论。了解地壳如何形成可能会让科学家了解整个奇怪结构的行星的形成。

尽管水星对人眼来说可能看起来不起眼,但在美国宇航局的信使号航天器的图像中,不同的矿物质出现在彩虹的彩虹中。美国宇航局/约翰霍普金斯大学APL /卡内基华盛顿研究所

“在地球行星中,水星相对于它的大小而言具有最大的核心,”Sori说。

据信水星的核心占据了整个星球的60%。为了比较,地球的核心占据了其大约15%的体积。为什么水星的核心如此之大?

“也许它更接近一个正常的行星,也许很多地壳和地幔被巨大的撞击剥去了,”索里说。 “另一个想法是,也许,当你形成如此接近太阳时,太阳风吹走了很多岩石,并且很早就会有大的岩心尺寸。目前还没有一个大家都同意的答案。“

Sori的工作可能有助于科学家朝正确的方向发展。它已经解决了水星地壳中的岩石问题​​。

水星的神秘岩石

当行星和地球的月亮形成时,它们的外壳是由它们的外壳产生的,外壳是一颗行星的核心和地壳之间的层,渗透并流经数百万年。行星地壳的体积代表变成岩石的地幔百分比。

在Sori研究之前,对水星地壳厚度的估计导致科学家相信地球上原始地幔的11%已经变成地壳中的岩石。对于地球上的月球 - 与水星距离最近的天体 - 数量较低,接近7%。

“两个人的身体以不同的方式形成了他们的地壳,所以他们并不一定非常惊讶,他们的地壳里的岩石的比例并不相同,”Sori说。

当密度较小的矿物漂浮到液态岩石海洋表面时,月球的地壳就形成了,液态岩石成为人体的地幔。在岩浆海洋的顶端,月球的浮力矿物冷却并变硬成为“浮选地壳”。火山爆发造成的水溶液覆盖了水星表面并形成了“岩浆壳”。

解释为什么水星创造比月球更多的岩石是一个没有人解决的科学奥秘。现在,可以关闭这个案子,因为Sori的研究将水星地壳中岩石的百分比定为7%。制作岩石时,水星并不比月亮好。

索里通过估计地壳的深度和密度来解决这个谜团,这意味着他必须找出什么样的地壳支持水星的地壳。

美国地质调查局于2016年发布了这张水星地形图。最高海拔为红色,最低海拔为深蓝色。 USGS

确定密度和深度

行星体最自然的形状是一个光滑的球体,其表面上的所有点与行星核心的距离相等。 Isostasy描述了如何支持高山,山谷和山丘,并将其平整到平坦的平原上。

主要有两种主要类型:普拉特和艾里。两者都致力于平衡地球上同样大小的切片。如果一个切片中的质量远远大于其旁边的切片中的质量,那么这个行星的地幔将渗出,并将其顶部的地壳移动到每片切片的质量相等。

Pratt isostasy指出行星的地壳密度不同。包含山的行星的切片与含有平坦的土地的切片具有相同的质量,因为使山的地壳比制造平地的地壳密度小。在地球的所有地方,地壳的底部均匀地漂浮在地幔上。

直到Sori完成他的研究,没有科学家解释为什么Pratt isostasy会支持或不支持水星的景观。为了测试它,Sori需要将地球的密度与其地形联系起来。科学家们已经使用MESSENGER的数据构建了水星地形图,但是没有密度图。因此,索里利用MESSENGER关于水星表面元素的数据制作了自己的作品。

“我们知道什么矿物通常会形成岩石,我们知道这些矿物含有哪些元素。我们可以智能地将所有化学丰度分为矿物清单,“Sori谈到他用来确定表面矿物的位置和丰度的过程。 “我们知道每种矿物的密度。我们把它们全部加起来,然后我们得到一张密度图。“

然后,索里比较他的密度图和地形图。如果普拉特能够解释水星的景观,那么索里预计会在山中发现高密度矿物质和山脉中的低密度矿物质;然而,他没有发现这种关系。在水星上,高密度和低密度的矿物都存在于山脉和陨石坑中。

随着普拉特地球物理学的异常被证明是错误的,索里考虑了艾里地球物质平衡法,它被用来估算水星的地壳厚度。艾里岛等高线表明地球的地壳深度取决于地形。

“如果你在地表上看到一座山,它可以由它下面的一根根支撑,”索里说,把它比作漂浮在水面上的一座冰山。

一座冰山的顶端由大量深入水下的冰块支撑。冰山包含与它所取代的水相同的质量。同样,一座山及其根部将包含与被移置的地幔物质相同的质量。在陨石坑中,地壳很薄,地幔更靠近地表。包含一座山的行星的楔形物将具有与包含一个陨石坑的楔形物相同的质量。

“这些论点有两个维度,但是当你考虑球形几何时,公式并不完全正确,”Sori说。

然而,松山和海明威最近开发的这个公式确实适用于行星等球形体。该公式不是平衡地壳和地幔的质量,而是平衡地壳对地幔施加的压力,提供更准确的地壳厚度估计。

索里用他对地壳密度和海明威和松山公式的估计来找出地壳的厚度。 Sori相信他对北半球水星地壳厚度的估计不会被证实,即使收集到关于水星的新数据。他不同意水星地壳密度的这种信心。

MESSENGER在北半球收集的数据比南部多得多,Sori预测当密度数据在整个地球上被收集时,地球表面的平均密度将会改变。他已经认识到未来需要进行后续研究。

下一次水星任务将于2025年抵达地球。与此同时,科学家们将继续使用MESSENGER数据和数学公式来学习关于太阳第一块岩石的一切。

出版物:Michael M.Sori,“水星的薄而致密的地壳”,地球与行星科学快报,2018年; DOI:10.1016 / j.epsl.2018.02.033

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