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测算月球的年代

数学 航天 地理 初中 高中

教学目标

1、介绍测算月球地层年代的方法。 2、了解月球地形并成为学生们确定地质特征年代的对象。 3、学会使用地层层序律来探索重要月球地貌特征的相对年代及其起源。
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中国科技教育杂志

话题引入

作为我们最亲密的太空邻居,月球是一个既熟悉而又能激发探究兴趣的主题。我们可以利用小型望远镜、双筒望远镜,甚至只通过照片或是网上众多高分辨率月球图中的某一张来研究它。月球表面充斥着陨石坑、山脉、火山熔岩、陡坡、月面谷等异常丰富的地形,也是人们用来确定地质特征年代的方法探索世界的极佳对象。


今天我们要介绍一种测算月球地层年代的方法,同学们将通过地层层序律这个特殊的工具来探索重要月球地貌特征的相对年代及其起源。

知识回顾

我们通过以前的想学习了解到,月球表面几乎被两种地形所占据:相对明亮而布满坑洞的月陆和几近平坦的月海。月海由大片的玄武质火山岩构成,约覆盖了16%的月球表面。


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如同在地球上一样,月球上的不同地貌也对应着不同的地层年代,月球月陆和月海的相对年代都可以通过计算其表面上单位面积里叠加的坑洞数量判定。年代更久远的月陆相较于月海而言,积累了更多数量的陨石坑,这说明月海更少地暴露在陨石、小行星及彗星等的撞击中。


概念讲解:


环形山:

月球上绝大多数的环形山都是由于物体撞击月球 表面并爆炸性地释放其自身能量所形成的。在一个典型的碰撞过程中,冲撞体会撞入受冲撞物的表面,同时自身迅速蒸发。冲撞体的动能转化为冲击波,使受撞体的物质粉碎,并以撞击点为中心向四周扩散形成圆坑(Shoemaker,1963)。月球上,一个典型的撞击 坑大约是撞击体直径的10倍。 从坑中扩散出的物质向下猛烈撞击周围的地面,形成一个环形堆积物,叫做喷射覆盖物。沿着弹道痕迹 扩散到更高处的物质能够在撞击坑外更远的地方对月球表面造成影响,形成次生陨石坑。在很多情况下,这些次生陨石坑呈簇状聚集,并都指向原生陨石坑。


地层层序律(地层学)

地质学家使用的一项重要工具就是地层层序律:一般而言,新的地质构造总会出现在老的构造之上。虽然地层学理论最初是依据地球情况而形成的,但地层层序律仍可以帮助我们了解太阳系中许多行星和卫星的地质学历史。如同地球的历史可以通过岩石的不同层面而分为地质学中的代、纪、世等一样,月球表面的地质时期也可以通过研究月 表照片的地层素材辨别。


提问:


月球看上去被无数的陨石坑所覆盖。与其相比,地球上陨石坑的数量显得微乎其微,这是为什么?


问题解释:

学生可能会给出以下多种答案,例如“大多数陨石在撞击到 地面之前已经被大气层烧尽”、“月球保护了地球”。


一个等比例的地-月系统模型可以消除第二个误解。如果用一个标准的12in(约 30.5 cm)直径的教学地球仪表示地球的话,那么月球就是一个30ft(约9m)距离外的大橘子。通过构建这个模型,学生们就可以明白月球这么一个又远又小的天体几乎不能为地球提供任何保护。


那么地球的大气层呢?尽管小的流星确实可以在其撞上地面之前被烧尽,但我们的大气层对于大型小行星几乎无能为力。月球南部的月陆(图1)上有着数以百计的直径超过50km的陨石坑。这些陨石坑都是由直 径约5km或更大的小行星造成的。若没有大气层,如此规模的天体群也将会以同样的规模和速度撞击地球。


现在的地球看上去与月球大相径庭,很可能是因为侵蚀作用。很久以前地球表面有可能确实存在过许多撞击坑。但因风、雨、冰雪和板块构造的影响而逐渐被磨 损殆尽,只有为数不多的尚存留至今。然而,利用地图或 Google Earth 软件,对地球上的古老部分做一个细致的研究就可以发现许多被认定为天体撞击产物的地貌特征,比如清水湖(加拿大)、莱斯陨石坑(德国)和巴林杰陨石坑(美国)。


在月球上,地表的相对年代可以通过清点每个单位面积上规定尺寸的撞击坑数量确定。这是因为没有大量的侵蚀效应(除了其他撞击之外)可以将原有陨石坑消磨掉。举个例子,平坦的月海上几乎没有大型的撞击坑,因此它一定比月球上几乎已经布满陨石坑的古老月陆和远端地区更加年轻。学生们可以利用 CosmoQuest Terraluna Activites通过清点坑洞数判断月球表面各个部分的相对年代。


月球地质研究史简要介绍:


直到20世纪中期,关于月球表面年代的争论仍然没有停歇。一派认为环形山是由于火山活动引起的,另一派则认为它属于陨石坑范畴。在数据无法确定时,此类争论在科学界非常普遍,特别是在项目研究的早期阶段。在1959年Eugene Shoemakder很大程度上解决了这一争论。他研究了美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑及内华达州的多个由核爆炸产生的环形坑洞,他发现了这些坑洞与月球表面环形山的共同之处,并确定绝大多数的月球环形山都是由于撞击而产生的。因此,对于地球上陨石坑的观测引出了月球环形山成因的推测。1962年Shoemaker和Hackman通过研究月球的西北扇区,最早定义了月球表面的5个地质年代。


图2.jpg


我们今天要做的研究活动,将要追随Shoemaker和Hackman的脚步,运用地层层序律判断一些月球重要地貌的相对年代。今天活动中需要判断相对年代的地貌共 有6个:哥白尼环形山(C)、埃拉托斯特尼环形山(E)、阿基米德环形山(Ar)、奥托吕科斯环形山(Au)、亚平宁山脉(Ap)及雨海纪熔岩流(Im)。


展开探究活动

本活动可作为一个全班的探究活动展开。学生们将运用观察和推断解释说明他们所看到的月球表面投影图(图2、图3)。在此过程中,教师将负责标注出重要的地貌并提出有关问题。


图2.jpg

图3.jpg


按年代为地貌分类的关键在于判断哪些覆盖是在其他地貌的之上的。地质学家会首先寻找最显而易见的关联,在本活动中,让学生们试着识别年代最新的地貌特征(这是一个极佳的地层注释练习)。利用图2的投射图,让学生们注意到哥白尼环形山。它的喷射物清晰地向北覆盖在亚平宁山脉和雨海纪熔岩流之上。要求学生根据这些事实推测出哥白尼环形山的相对年代。哥白尼环形山与其他两个地貌相比是最年轻的。哥白尼环形山周边的辐射纹系统看上去并未受到埃拉托斯特尼环形山的干扰。在埃拉托斯特尼环形山更高分辨率的照片里(图3)可以清楚地看到,哥白尼环形山的次生陨石坑都叠加到埃拉托斯特尼环形山的喷射物覆盖层之上。根据以上观察,学生们可能会推断出哥白尼环形山一定比埃拉托斯特尼环形山年代更新。一般来讲,年轻和晚近形成的陨石坑都会拥有更为清晰的辐射纹系统。


亚平宁山脉与地球地质情况形成了鲜明的对比。地球的山脉通常是由地壳运动形成,然而在月球上,一个完全不同的过程造就了平缓蜿蜒的亚平宁山脉。再次向你的学生们展示图1中的月球广角视野图。指出亚平宁山脉、喀尔巴阡山脉和阿尔卑斯山脉。这些地貌组成了一个怎样的大致图形(一个环形)?月球上什么样的地貌是环形的(陨石坑)?基于这些观察结果,你的学生对这3座山脉的形成可以做出怎样的推断呢(它们构成了称之为撞击坑的巨大陨石坑的上升边缘)?


这个直径1 160 km的雨海纪撞击坑是在一颗直径约100 km的天体撞击月球时形成的。巨大的撞击有可能把图2中的其他地貌特征都抹去。因此我们可以推断:亚平宁山脉一定是这个区域中最古老的地形,因为它的形成很可能毁掉了其他更古老的地形。


在一些点上,雨海纪撞击坑充斥着熔岩流——很显然是在撞击坑之后形成的。因此,你的学生可以推断出熔岩流是晚于亚平宁山脉形成的。一个详尽的检查表明,埃拉托斯特尼环形山的喷射覆盖物和次生陨石坑覆盖在临近的熔岩流之上,因此埃拉托斯特尼环形山一定比熔岩流更新。


接下来,将学生们的注意力放到阿基米德环形山上。提出阿基米德与哥白尼、埃拉托斯特尼环形山间有何区别的问题。学生们可以注意到,阿基米德环形山没有任何喷射覆盖物的迹象,并且有一个异常光滑的表面。显然当雨海纪盆地熔岩开始流动时,熔岩流毁掉了喷射物并填平了阿基米德环形山的底面。要求学生推断,在阿基米德环形山的相对年代这一问题上此项观察意味着什么?(这种情况只能在阿基米德环形山先于熔岩流之前形成的情况下才会发生)

 

最后,指出奥托吕科斯环形山被一片清晰的喷射覆盖物包围,并问问你的学生可以推断出它与雨海纪熔岩流之间有怎样的相对年代关系?(它一定是新于熔岩流,因为它的喷射覆盖物明显在熔岩之上)


年代关系结论

到目前为止你的学生已经运用地层层序律,通过他们的观察和推测判定了给出的地貌间的相对年代关系:亚平宁山脉最古老,其后是曾经被雨海纪熔岩流填埋过的阿基米德环形山,接下来是埃拉托斯特尼环形山、奥托吕科斯环形山和哥白尼环形山,它们顺次垛叠在火山熔岩流之上。它们的相对年代可以通过计算各自被撞击后所形成的更小的损石坑数目,以及研究各自辐射纹系统的亮度判定。很明显,观察和逻辑推断是探索自然世界强而有力的工具。


解释结论

把以上的观察结果汇成一个连贯的故事。很久以前,可能一个直径约为100km的很大的小行星撞上月球并形成了雨海盆地。盆地形成后并 没有很快被熔岩淹没。在很长的时间里,许多彗星和小行星不断撞击这个雨海盆地。形成了许多大型陨石坑,这中间包括了阿基米德环形山。其后,大量火山熔岩填满了盆地,淹没了阿基米德环形山的基底并填埋了其喷射覆盖物。接下来一些更小的天体撞到了月球,留下了叠加在熔岩流之上的埃拉托斯特尼环形山、 奥托吕科斯环形山和哥白尼环形山。


雨海盆地是在月球近地端某次最大造盆冲撞的产物。其形成是所产生的喷射物给整个月球上的陨石坑都刻上了痕迹,这使得我们可以判定陨石坑究竟是产生在雨海纪撞击之前还是之后。因此,雨海盆地提供了一个时间参照点,月球的地貌可以据此划分为前雨海纪和后雨海纪。 


故事里遗漏的部分是,在这些地貌形成之间在时间范畴上的一个定量评估。雨海盆地是什么时候形成的?在熔岩溢出之前究竟过去了多少时间?哥白尼环形山这个月球上最年轻、最新鲜的大型陨石坑之一是什么时候形成的?这些问题的答案只能在造访这些地点后才能得出。来自于这些地点的岩石样本可以用来推算这些地貌形成的准确时间(通过放射性元素的半衰期及样本表面暴露在宇宙线中的时间长度)。在阿波罗14和15号任务中收集到的样本表明, 雨海纪盆地形成于38.5 亿万年前。而来自于阿波罗11、12、15和17号任务带回的样本则表明熔岩流形成于数亿年之前。坑洞计数显示,这些熔岩在月球的 某些区域持续流动直到10亿年之前。阿波罗12号飞船的降落点可能就在哥白尼环形山的某一条较远的辐射线上。一片浅色的岩屑被认为是来自哥白尼环形山的喷射物,科学家们用其来估算该陨石坑的年龄。哥白尼环形山是这个月球上最年轻也是最大的陨石坑之 一,最终被认定已经有8亿年的历史了。


参考资源

以下相关网页适合从多种角度辅助测量月球年代的活动开展


CosmoQuest Terraluna Activities:

https://cosmoquest.org/x/

Google Moon:

www.google.com/moon/

Lunar and Planetary Institute Moon Images and Geologic Maps:

www.lpi.usra.edu/resources/

Lunar Navigator: 

www.moon.com.co/atlas/index.shtml

Lunar Photo of the Day:

http://lpod.wikispaces.com

Map of full Moon:

www.penpal.ru/astro/index.shtml

Virtual Moon Atlas: 

http://ap-i.net/avl/en/download


教学总结

除了适时地教授早期太阳系环境和地球位置以外,本课程活动还能够让学生体验到观察和推断在创造科学知识过程中的相互作用。我们的研究表明,学生对于科学家如何运用观察了解很多,但对于推断的作用却知之甚少。在你清楚的指导之下,通过完成这个课程,你的学生可以更好地理解推断所起到的作用,并因此 能更进一步地理解科学的本质。