GYIG OpenIR  > 研究生
基于动力学演化模型的月球地质年代划分方案
其他题名A Lunar Timescale from Geodynamic Evolution Perspective
郭弟均
学位类型博士
导师刘建忠
2018
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院地球化学研究所
关键词月球 南极艾肯盆地 地质年代表 艾肯纪 岩浆洋纪
摘要

地质年代有两层含义:地质体形成或地质事件发生的先后顺序及地质体形成或地质事件发生的距今年龄。前者称为相对年龄,后者称为绝对年龄。地质年代的划分建立在地层叠置规律之上。当前的月球地质年代划分主要形成于Apollo时期,沿用了地球上以地层叠置关系为基础的地质年代划分基本原理,但月球的地质年代划分不包含生物信息。作为认识月球演化的关键参考资料,一个完善的月球地质年代划分方案应当既包含月球的重要演化事件又能够刻画月球的各个演化阶段,是对月球地质演化历史的完整的、系统的反映。地质年代划分方案也是进行地质填图的基础资料,地质图需要将各个时代的地质单元呈现出来,不同时期的地质单元又具有各自的特征,因此一个科学的地质年代划分有利于地质图对地质要素的表达,从而更清晰地认识地质演化的历史。同地球相比,月球无生命,缺少生物化石线索,除Apollo时期获取的月球样品和在地球发现的一些月球陨石外,我们没有更多可供研究的月球实地样品,因此对月球进行层序划分和年代学研究具有比地球更困难。随着对月球研究的不断深入,早期的月球地质年代划分的缺陷逐渐暴露出来,并对月球科学的发展产生一定程度的制约。Apollo时期后,月球探测和月球科学经历了很大发展,对Apollo样品进行更先进的测试分析以及海量的高质量探月数据的获取和分析,为进行更深入的月球研究并弥补早期月球地质年代划分存在的不足提供了条件。月球在约45.2亿年前形成于一次大碰撞事件。最初的月球表面覆盖了数百千米厚的岩浆洋,岩浆洋经历了约2亿年的以内动力地质作用为主的结晶固化演化阶段。当前的月球表面有两种典型的地质单元:一种是内动力地质作用形成的月海和隐月海玄武岩,主要形成于约40-30亿年前;另一种是外动力地质作用形成的撞击坑物质和盆地建造,有记录的最古老的撞击事件可能发生在约43-42 亿年前,撞击作用作为月球上最主要的外动力地质作用一直持续到当前。月球早期岩浆洋过程形成的高地岩石-地层单元在月表基本已经被后期撞击作用的地层单元完全覆盖。撞击事件是月球上最显著的地质作用,月球无水无大气的特殊环境使得约40多亿年前的撞击记录还可能被识别出来,而这些最古老的撞击事件在地球上的记录早已丢失。另一方面,大型撞击事件还可以形成广阔的甚至覆盖全月的溅射沉积物,并按照撞击发生的时间相互叠加。因此,撞击建造也被称为月球的“化石”,是组成月球岩石圈主要地层系统并进行月球地质年代划分的关键要素。在月球地质年代划分中一般以大型撞击事件形成的溅射沉积建造作为基本岩石地层单元建立地质年代单元,例如酒海纪以酒海盆地的溅射沉积建造——詹生建造为地层起点,雨海纪以雨海盆地的溅射沉积建造——弗拉摩罗建造为地层起点。目前所广泛采用的月球地质年代划分方案是在Apollo时期形成并发展起来的“五分法”方案,由于探测范围和程度以及研究周期的限制,当时对月球的研究和认识还不够深入,所建立的月球地质年代划分存在部分缺陷,例如:雨海系/爱拉托逊系、爱拉托逊系/哥白尼系的地层界线没有明确的定义;月球的地质年代划分主要依靠外动力地质事件,而对早期在月球基本构架的形成中起根本作用的内动力地质作用的演化历史考虑不足。本论文立足于月球地质年代学研究的基本规则,以月球的动力学演化为主线,通过对重要地质事件和地质现象的梳理,在已有研究成果的基础上结合最新月球探测的影像、高程、光谱等数据研究并识别了月球最古老的撞击盆地——南极艾肯(SPA)盆地的溅射沉积建造,将其作为基础岩石-地层单元建立了基于动力学演化模型的“三宙六纪”的月球地质年代划分方案,取得的研究成果和主要贡献包括:(1)综述了月球地质年代学研究的基本方法。整理并总结了月球相对年龄和绝对年龄研究中使用的技术方法。对相对年龄定年中使用的地层叠置律、撞击坑大小-频率统计定年、撞击坑形态法以及适用于晚期撞击坑的月壤成熟度法等做了介绍和总结。对于月球样品和月球绝对年龄确定中所使用的Ar-Ar、U-Pb等同位素定年方法做了介绍,并对在月球绝对年龄确定中使用更广泛的撞击坑统计定年的Hartman产率函数和Neukum产率函数两种函数和定年方式进行了介绍。(2)建立了月球动力学演化的三阶段模型。根据目前普遍认可的结论,月球经历了以下过程:大碰撞形成月球——岩浆洋阶段形成早期壳幔核——大型撞击事件及岩浆、月海作用——小型撞击事件。从月球地质事件的动力学角度来看,其演化过程可分为三个阶段。第一个阶段以内动力地质作用为主,时间从月球形成到岩浆洋演化末期月表保留的有记录的最古老的撞击事件痕迹,即到目前已知最古老的大型撞击事件的年龄,目前普遍接受的是南极艾肯(SPA)盆地,形成时间约为43-42亿年前。第二个阶段是内外动力地质作用并重的时期,时间从最古老的大型撞击事件持续到月球内能变弱,不能维持充分的内动力地质作用。这期间主要的事件包括形成撞击盆地的大型撞击事件以及火山作用、月海玄武岩泛滥等。第三个阶段以外动力地质作用为主,从~30亿年前月球进入宁静期后直到当前时期,这期间月球的内动力地质作用逐渐减弱并终止,主要的地质作用是规模不大的小型撞击事件。根据月球的动力学演化模型,论文提出“三宙”的划分方案:建立冥月宙/界、古月宙/界和新月宙/界三个单元,分别对应从古到新月球动力学演化的三个阶段。(3)建立“艾肯系/纪”作为有记录的月球外动力地质作用的起始。在目前的月球地质年代划分中,前酒海纪是最古老的地质年代单元,包含了月球岩浆洋阶段以及大型撞击事件形成的早期盆地。显然,这种划分没有将上面介绍的月球动力学演化过程的第一、第二阶段区分开,因为岩浆洋演化是内动力地质作用控制的,而撞击盆地的形成属于外动力地质作用。月球上被记录下来的最古老的外动力地质事件是前酒海纪的南极艾肯盆地撞击事件。因此,南极艾肯盆地的形成代表了月球演化的一个重要转折,月球从此由以内动力地质作用为主的演化状态过渡为内外动力地质作用并重的状态,所以南极艾肯盆地的形成标志着古月宙的开始。因此,论文提出以南极艾肯盆地形成事件为分界线将前酒海纪划分为两个纪。较早的一个阶段主要是月球岩浆洋演化的地层和时间段,我们称为岩浆洋系/纪。从南极艾肯盆地形成到酒海盆地形成之前的地层和时期称为艾肯系/纪。这种划分可以更好地在月球地质年代表中表达月球的动力学演化过程。(4)分析并总结了月球的年轻撞击坑溅射沉积物质和盆地溅射沉积建造特征。艾肯系的确立依赖于识别出南极艾肯盆地的溅射沉积建造,但40多亿年的后期地质作用已经将盆地的溅射沉积建造毁坏殆尽,识别难度很大。因此,本论文研究了哥白尼纪形成的月海区的开普勒坑和月陆区的尼科坑的溅射物纹理、构造和分布特征;研究并总结了酒海盆地的詹生建造、雨海盆地的弗拉摩罗建造以及东海盆地的赫韦吕斯建造这三大盆地溅射沉积建造的特征,为识别和研究SPA盆地溅射物建造提供参考和指导。(5)识别南极艾肯盆地溅射沉积建造并建立“三宙六纪”的月球地质年代划分方案。根据南极艾肯盆地撞击模拟得到的物质分布特征、后期撞击事件对南极艾肯盆地溅射沉积建造的覆盖厚度模型,筛选出盆地溅射沉积建造最有可能被保留下来的SPA北部区域。在此区域中,利用影像、高程、光谱等数据,将研究区进一步缩小为斯坦菲尔德-达斯区,并在其中定义了可能为SPA盆地溅射沉积建造组成要素的达斯谷,识别了代表南极艾肯盆地溅射沉积建造的“达斯建造”,通过对斯坦菲尔德-达斯区地质单元和地层剖面的分析,以达斯建造作为基础岩石-地层单元建立艾肯纪和岩浆洋纪地质年代单元并完成了“三宙六纪”的月球地质年代表。

页数164
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.gyig.ac.cn/handle/42920512-1/9209
专题研究生
推荐引用方式
GB/T 7714
郭弟均. 基于动力学演化模型的月球地质年代划分方案[D]. 中国科学院地球化学研究所. 中国科学院大学,2018.
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