Rocas lunares

(1) Fuentes de muestras de rocas lunares

Hay dos fuentes de muestras de rocas lunares (roca lunar, roca lunar), una se recupera de la superficie lunar y la otra cae. en la tierra. Superficie de meteoritos lunares.

Desde que la primera nave espacial tripulada de alunizaje de Estados Unidos aterrizó con éxito en el Mar de la Tranquilidad de la Luna el 20 de julio de 1969, hubo seis aterrizajes lunares del Apolo hasta 1972, trayendo de vuelta rocas y tierra. kg. La antigua Unión Soviética llevó a cabo tres misiones de alunizaje no tripulado y trajo 326 g de muestras de suelo de roca lunar. Los lugares y horarios históricos de alunizaje se muestran en las Tablas 28-1 y 28-2.

Desde el siglo XXI, países como China e India han formulado sus propios planes de alunizaje y retorno de muestras. Estados Unidos está implementando un nuevo plan de regreso a la luna, y Japón también está implementando un plan de exploración lunar. Por lo tanto, pronto en el futuro los humanos podrán obtener una gran cantidad de muestras lunares y datos de detección.

Tabla 28-1 Tabla de actividades del aterrizaje lunar del Apolo

Tabla 28-2 Tabla de actividades de recolección de muestras de rocas lunares de la antigua Unión Soviética

Otra fuente importante de rocas lunares es un meteorito lunar. Cuando un pequeño cuerpo celeste golpea la superficie lunar, la enorme energía del impacto vaporiza y derrite las rocas y el suelo de la superficie lunar, envuelve algunos fragmentos de roca y chisporrotea hacia afuera, formando cráteres de impacto de tamaños correspondientes. El material fundido en estos chisporroteos se enfría rápidamente para formar vidrio, que rápidamente se cementa para formar varias brechas de fragmentos. Cuando la velocidad del material pulverizado es mayor que la velocidad de escape de la luna, puede separarse del campo gravitacional de la luna y entrar en el espacio interestelar. Después de correr en el espacio interestelar durante un período de tiempo, es capturado por la Tierra y aterriza en el. superficie, convirtiéndose en un meteorito lunar.

Hasta ahora se han recuperado más de 160 meteoritos lunares y se han encontrado alrededor de 77 pares de meteoritos lunares en los desiertos y la Antártida. Desde la perspectiva de la petrología y la composición química, hay tres tipos de meteoritos lunares de miembros finales: (1) anortosita brechada, con alto Al2O3 (26% ~ 31%), bajo FeO (3% ~ 6%) y bajo incompatible. elementos (Th <1μg/g); (2) Basalto y basalto brechado, con FeO alto (18% ~ 22%), Al2O3 moderadamente bajo (8% ~ 10%) y sin elementos compatibles (Th: 0,4 ~ 2,1μg/g); g); (3) brecha de fusión de impacto con composición de sourita (Al2O3: 16%, FeO: 11%), con contenido extremadamente alto de elementos incompatibles (Th33μg/g). Este tipo de roca se llama KREEPita debido a su similitud con la KREEPita de la muestra de Apolo (Korotev, 2005). Además, algunos meteoritos son brechas complejas con composiciones neutras porque contienen tanto anortosita como basalto. Aunque el rango de composición de los meteoritos lunares varía mucho, varios parámetros de composición juntos los distinguen de los materiales terrestres.

Como tipo componente final, el número de meteoritos lunares del tipo (3) mencionado anteriormente es muy pequeño (sólo Sayh al Uhaymir 169). La mayoría de los meteoritos lunares descubiertos hasta ahora no contienen K alto. , REE, P, Th y otros elementos incompatibles (los llamados KREEP) fragmentos de roca. Esto contrasta marcadamente con el hecho de que la mayoría de las muestras traídas de la Luna por el Apolo estadounidense y la nave espacial Luna de la antigua Unión Soviética contienen diferentes contenidos de rocas ricas en KREEP. La razón de este fenómeno es realmente muy simple. Porque todos estos meteoritos lunares son muestras aleatorias procedentes de lugares desconocidos de la Luna debido a impactos de meteoritos, y las muestras traídas de la Luna por el Apolo estadounidense y la nave espacial Luna de la antigua Unión Soviética se encontraban en un área muy limitada en la parte frontal de la luna (que ocupa sólo el 5% de la superficie lunar), esta área de muestreo se encuentra en o cerca del área Procellarum KREEP Terrane (PKT) con anomalías geoquímicas en el lado cercano de la luna (Jolliff et al., 2000). Por lo tanto, los meteoritos lunares son muestras lunares más representativas y pueden proporcionar la composición mineral y la composición química promedio de la corteza lunar.

Los meteoritos lunares se clasifican según su contenido mineral, estructura, petrología y composición química. Estos diferentes esquemas de clasificación a veces resultan confusos, como lo que los geoquímicos llaman rocas feldespáticas o ricas en aluminio, mientras que los petrólogos las llaman anortosita o brechas de meteorización.

(2) Tipos y características de las rocas lunares

Existen tres unidades rock-tectónicas básicas que conforman la superficie lunar, a saber, la zona de basalto maría, que está compuesta principalmente por maría. composición de rocas basálticas y KREEP; rocas de las tierras altas, compuestas principalmente por conjuntos de rocas ricas en anortosita y magnesia; área de la cuenca Antártica-Aiken, compuesta por conjuntos de rocas ricas en basalto y magnesia, etc. En términos generales, las rocas lunares se pueden dividir en cuatro categorías: basalto, brecha, rocas primitivas de las tierras altas (anortosita) y regolito (regolito lunar) (Figura 28-2).

Figura 28-2 Cuatro muestras típicas de rocas lunares

1. Basalto

La mayor parte del basalto de la Luna se distribuye en los mares del frente, y en la maría de la espalda también se encuentran pequeñas cantidades de basalto distribuidos en grandes cráteres de impacto.

Las marías de la Luna están generalmente entre 1 y 4 kilómetros más bajas que las tierras altas circundantes, y la mayoría tienen forma de anillo. Está compuesto principalmente de material volcánico, pero los volcanes de la Luna son casi todos planos, con una pendiente de 1:500 a 1:2000. Esto está relacionado con la baja viscosidad y la alta fluidez del basalto lunar. Las apariciones de basalto lunar incluyen flujos de lava, conos de ceniza volcánica, cúpulas volcánicas, crestas volcánicas, túneles volcánicos, etc. El alcance de los flujos de lava también es muy impresionante, siendo el área más grande de 2×105 km2, lo que equivale al área de basalto en la meseta de Columbia en los Estados Unidos, pero su espesor es de sólo una docena a decenas de metros. siendo el más grueso de 1000 m. La escala de los conos de ceniza es más pequeña que la de los conos de ceniza en la Tierra, y la velocidad de eyección de los conos de ceniza es equivalente a 1/3 a 1/10 de la velocidad de eyección en la Tierra, lo que indica que el basalto lunar contiene menor materia volátil. La estructura microscópica de un basalto lunar típico se muestra en la Figura 28-3.

Figura 28-3 Basalto mare (campo de visión ancho 8 mm)

La edad de formación más temprana del basalto maria existente es 4,2 Ga, y la última es aproximadamente 2,0 Ga, ambas posteriores. que la edad de formación de las rocas ígneas de las tierras altas. La mayoría de la gente cree que los basaltos marianos son producto del derretimiento parcial del interior de la luna (manto lunar), y algunos están estrechamente relacionados con eventos de derretimiento por impacto. El contenido de Ti en el basalto lunar varía mucho según el contenido de Ti, se puede dividir en basalto con alto contenido de titanio (TiO2 > 6%), basalto con bajo contenido de titanio (TiO2 1% ~ 6%) y basalto con contenido de titanio ultrabajo (TiO2 <). 1%). En comparación con las muestras de basalto del Apolo María, el TiO2 total de la roca en los meteoritos lunares conocidos es relativamente bajo. Aún no se han encontrado componentes de basalto con alto contenido de titanio en meteoritos lunares, componentes de basalto con bajo contenido de titanio solo se encuentran en meteoritos de basalto maría y componentes de basalto con contenido ultra bajo de titanio se encuentran en meteoritos de basalto maría y meteoritos lunares brechados mixtos. . En comparación con el basalto terrestre, tiene las siguientes características:

(1) El contenido de FeO es significativamente mayor que el del basalto terrestre. El rango de Mg/(Mg+Fe) del basalto terrestre es de 0,45 a 0,75, mientras que el del basalto lunar es de 0,35 a 0,65. En consecuencia, el olivino y el piroxeno en el basalto lunar son especies ricas en hierro. Por ejemplo, el olivino es el más rico en Mg. aproximadamente Es Fo75 ~ Fo80, y la mayor parte del olivino es fayalita. La composición del magma se utiliza para invertir la composición de su área de origen. El área de origen de Mg/(Mg+Fe) del basalto terrestre es de 0,91, mientras que el área de origen del basalto lunar es de 0,80 a 0,82. Se sugiere que el manto lunar es más rico en Fe que el manto terrestre, lo que puede estar relacionado con el hecho de que la luna no se ha diferenciado en un núcleo rico en Fe.

(2) Los contenidos de K2O y Na2O son significativamente menores que los del basalto terrestre. La abundancia de K es similar a la del basalto toleítico oceánico con bajo contenido de K de la Tierra, alrededor del 0,36%, y el Na sólo equivale a 1/5 del basalto de la Tierra. En consecuencia, la plagioclasa en el basalto lunar es un tipo rico en calcio, dominado por anortita, con una pequeña cantidad de feldespato y básicamente sin feldespato potásico. Debido a que el K y el Na están distribuidos uniformemente en la lava, la baja abundancia de K y Na se debe a la falta de estos dos elementos en el área de origen, no a que sean volátiles.

(3) El basalto lunar se formó en un ambiente reductor, donde comúnmente se encuentran Fe y FeS naturales y carecen de Fe3+ (solo 1%). El 90% del Cr aparece como Cr2+, el 70% del Eu es Eu2+, el 4% del Ti es Ti3+, todo el Ce es Ce3+ y no hay evidencia de Ce4+. El basalto lunar contiene pequeñas cantidades de gas CO. FeO y C en magma reaccionan para formar CO y Fe natural. Esta reacción ocurre a una profundidad de unos 3 km cuando el magma sube a la superficie.

(4) El contenido de TiO2 tiene una amplia gama de cambios y a menudo se utiliza como base para una mayor clasificación de los basaltos lunares. En el basalto con alto contenido de Ti, la ilmenita es un mineral accesorio común.

(5) Además del basalto, los productos del vulcanismo lunar también incluyen esferas de vidrio volcánico, que están ampliamente distribuidas en el suelo lunar. La edad de las esferas de vidrio volcánico distribuidas cerca del cráter es similar a la del basalto lunar, lo que demuestra además que está estrechamente relacionado con el vulcanismo de los mares lunares, descartando la posibilidad de que estén relacionados con la corteza lunar de las tierras altas.

La mayoría de las esferas de vidrio tienen un diámetro entre 0,1 y 0,3 mm, y vienen en varios colores. Las de color naranja contienen un alto nivel de Ti (el TiO2 es del 9,3%), y sus características de composición son similares. los del cercano basalto del Apolo 11 y el color naranja en sus huecos es similar, pero ligeramente más rico en Mg, Zn, Cl, Cu, Pb y otros elementos volátiles. Hay gotas en forma de salpicaduras adheridas a la superficie de la esfera. La composición es la misma que la de la esfera de vidrio principal. Pueden ser sustancias salpicadas a baja velocidad. Las bolas de cristal rojas y amarillas cercanas al Apolo 15 son similares a las anteriores y también son de origen volcánico.

(6) Dado que no hay agua ni oxígeno en la superficie lunar, las rocas no han sufrido erosión ni alteración. Las rocas están frescas y no aparecen minerales acuosos. Por ejemplo, la estructura del basalto lunar mantiene la estructura característica de la cristalización del magma, que es similar a la del basalto de la Tierra que no ha sufrido meteorización.

Figura 28-4 Abundancias REE estandarizadas por condritas de basaltos de yegua, KREEP y una anortosita representativa

2 KREEP

Es un tipo de luna muy especial. roca. Este tipo de roca contiene altos niveles de elementos Th, U, K, REE y P (Figura 28-4), por lo que se denomina roca "KREEP". Porque muchas rocas de impacto de brechas del complejo Apolo están enriquecidas en Th y REE, y tienden a enriquecerse en todos los elementos incompatibles. Warren y Wasson (1979) creían que casi todos los elementos incompatibles de la corteza lunar procedían de una cámara de magma diferente, posiblemente el remanente de un océano de magma, llamado urKREEP. Aunque urKREEP es como KREEP, es una sustancia hipotética que no conserva su forma original porque una vez formada se añade a la reacción de asimilación del magma rico en Mg (Warren, 1998; Papike et al., 1996).

Las rocas KREEP son en su mayoría rellenos intersticiales de brecha o basalto y aparecen como vidrio intersticial. El rango máximo de tamaño de partícula es de solo 150 μm. Este componente altamente evolucionado puede ser el producto final de la separación por cristalización del magma, o puede formarse por fusión parcial de bajo nivel y posterior cristalización bajo el impacto de meteoritos. Posteriormente, en las muestras de rocas del Apolo 14 también se encontraron granito, basalto con alto contenido de Al y alto K, y anortosita y peridotita que contienen mayor abundancia de KREEP, lo que confirmó aún más la existencia de un grado evolutivo en las rocas lunares (divididas en fusión residual con un alto grado de heterogeneidad, y algunas rocas son producto de la asimilación y mezcla del magma original con ellas.

La mayoría de los meteoritos lunares (brechas de regolito lunar de las tierras altas) están significativamente agotados en KREEP en comparación con las muestras de regolito lunar de Apolo y Luna. El reciente mapa de distribución de resultados de detección de Th, U y K lunar global muestra que las áreas de recolección de muestras de Apolo y Luna resultan ser áreas de enriquecimiento de KREEP (Lawrence et al., 2002).

3. Roca de las tierras altas

La mayoría de las muestras de la superficie lunar cercana a la Luna provienen del impacto de antiguas tierras altas lunares. Hay muy pocas rocas de las tierras altas que no hayan sido modificadas en absoluto por el proceso de impacto. Las rocas de las tierras altas se componen principalmente de anortosita, suites ricas en magnesia y brechas de impacto.

4. Anortosita

La anortosita es el componente principal de la corteza lunar de las tierras altas de la Luna y se distribuye más ampliamente en la cara oculta de la Luna. La plagioclasa que forma la anortosita es anortita rica en calcio (An95-97) y una pequeña cantidad de piroxeno bajo en calcio, lo que implica que el magma original tiene una escala enorme y ha homogeneizado sus componentes. La anortosita es el principal tipo de roca que formó la corteza lunar original. La edad isócrona Rb-Sr de la anortosita es 4,13 ~ 4,25 Ga, y el valor inicial de 87Sr/86Sr es 0,699.

El conjunto de rocas de anortosita tiene una composición única pero no completamente uniforme. James et al. (1989) propusieron analizarlo más a fondo basándose en el valor de Mg del silicato básico y el contenido alcalino de la plagioclasa. La Figura 28-5 muestra la estructura típica y las características de composición de la anortosita.

Figura 28-5 Roca montañosa original (campo de visión de 8 mm de ancho) (según la Universidad de Washington)

5. Suite rica en magnesio (Mg-suite)

Dichas rocas incluyen norita, olivino, dunita, espinela olivina y gabro anortosita, que forman un conjunto de rocas plutónicas ricas en magnesio y muy probablemente sean todas rocas acumuladas. Las rocas acumuladas con mayor contenido de Mg incluyen algunas rocas ultrabásicas, pero sólo la dunita 72415 (Dymek et al., 1975) tiene una masa superior a 1 g, y las demás son muestras de peridotita aproximadamente no representativas. Los piroxenos con alto contenido de Ca se forman relativamente tarde en la secuencia de cristalización de los magmas en las suites más ricas en Mg. La anortosita de gabro es relativamente rara y tiende a tener menos Mg y más Na/(Na+Ca) que la estorita. Algunos de los tipos iniciales de rocas lunares más evolucionados, como las suites alcalinas y los granitos mínimos, son extremadamente diferentes de las suites ricas en Mg y/o KREEP. Algunas muestras de granito recolectadas muestran una inmiscibilidad líquida de silicato a escala milimétrica muy clara (Warren et al., 1987; Jolliff et al., 1999)

6. La brecha lunar es una brecha lunar. Tipo especial de roca entre las rocas lunares. Según los resultados del análisis de las rocas de la corteza lunar recolectadas por la nave espacial Apolo, más del 60% de las rocas son brechas formadas por varios tipos de rocas de las tierras altas que han sido impactadas y rotas, parcialmente derretidas y cementadas. Según las características estructurales de la brecha, la brecha se puede dividir en los siguientes tipos. La brecha monocomponente está compuesta por brechas de roca rota producidas in situ o brechas fundidas y recristalizadas. La brecha de dos componentes se compone de brecha de roca rota producida in situ o brecha recristalizada que ha sido derretida por impacto e intercalada con brechas finas en forma de vetas (llamadas así debido a la brecha de dos componentes). La brecha multicomponente se compone de fragmentos de roca, brecha de suelo lunar, vidrio de impacto, etc.

Los tipos de rocas, minerales y composiciones químicas de estas brechas son extremadamente heterogéneos. La brecha, el vidrio y el cemento en la brecha se caracterizan por tener múltiples orígenes porque muchos tipos de roca se han roto por impacto y parcialmente se han derretido y adherido. La Figura 28-6 muestra las características macroscópicas de una brecha lunar relativamente típica. Las Figuras 28-7 a 28-10 son fotografías de la estructura de la brecha bajo un microscopio. Consulte la leyenda para obtener una descripción detallada.

Figura 28-6 Meteorito lunar SaU 169

Figura 28-7 Brecha de impacto (ancho del campo de visión 4 mm)

Figura 28-8 Conglomerado del ángulo del suelo lunar (campo de visión ancho 8 mm)

7. Edad de las rocas lunares y regolito

Las rocas lunares más antiguas son peridotitas y peridotitas raras, que representan el derretimiento inicial de la luna. las rocas que primero se solidificaron. La anortosita en las tierras altas lunares tiene entre 4.100 y 4.400 millones de años, lo que representa la edad de formación de la corteza lunar anortosítica. La brecha ígnea granítica posterior tiene entre 4.000 y 4.100 millones de años. El basalto es la roca lunar más joven. El basalto de las tierras altas de Fra Mauro tiene entre 3.870 y 3.960 millones de años, y el basalto de María tiene entre 3.200 y 3.800 millones de años. Son productos del magma en diferentes etapas de la luna: (1) Basalto Tranquility de 3,5 mil millones a 3,9 mil millones de años (el basalto bajo en potasio tiene entre 3,74 mil millones y 3,93 mil millones de años, y el basalto alto en potasio tiene entre 3,23 mil millones y 3,53 mil millones de años (2) fragmentos de basalto y vidrio del Cañón Chenghai Taurus-Littrow); las muestras tienen entre 3,71 mil millones y 3,79 mil millones de años, equivalente al basalto Mare Tranquility; (3) basalto de Imbrium, entre 3,3 mil millones y 3,45 mil millones de años (4) basalto marino rico, entre 3,42 mil millones y 3,45 mil millones de años, equivalente al basalto de Imbrium; (5) Basalto Procellarum de 3.200 a 3.300 millones de años.

Figura 28-9 Brecha de regolito lunar (ancho de campo de visión 4 mm) (según la Universidad de Washington)

Figura 28-10 Brecha de regolito lunar (ancho de campo de visión 4 mm) (según la Universidad de Washington)

La edad del suelo lunar es de 4,3 mil millones a 4,6 mil millones de años. El suelo lunar es producto de la destrucción de la roca de la corteza lunar. Edad de formación de la corteza lunar. La Figura 28-11 muestra partículas de diferentes componentes en el suelo lunar.

Figura 28-11 Suelo lunar (campo de visión de 4 mm de ancho) (según la Universidad de Washington)

(3) La importancia de la investigación de meteoritos lunares

Actualmente la comprensión humana y Hay tres formas principales de estudiar la composición de la superficie lunar: muestras de rocas lunares traídas de la luna por Apolo y Luna, datos de teledetección obtenidos por el orbitador lunar y meteoritos lunares.

Cada uno de los tres tiene sus propias ventajas y desventajas. Se conocen el lugar de muestreo y la ubicación geográfica de las muestras de rocas lunares, y los antecedentes geológicos son claros. Sin embargo, estas muestras se tomaron de aproximadamente el 5% del área de la luna. está, cerca del ecuador en la parte frontal de la luna, y son anomalías geoquímicas ((Ocean Procellarum), por lo que es difícil resolver el problema global de la luna solo con estas muestras; los datos de teledetección son globales, pero generalmente tienen mala resolución y no se pueden obtener datos de composición precisos, la ubicación de origen específica y la ubicación geográfica de los meteoritos lunares generalmente no es fácil de saber, por lo que los antecedentes geológicos son vagos, pero son muestras completamente aleatorias y más representativas (frente y parte posterior de la luna). ; ecuador, polos), y puede proporcionar la composición mineral y la composición química promedio de la corteza lunar. Por lo tanto, los meteoritos lunares se han convertido en un importante objeto de investigación para que la gente comprenda y estudie la luna.

El estudio de los meteoritos lunares conduce a una comprensión integral de la composición material de la corteza lunar. Además, al estudiar la petrología, mineralogía y geoquímica de los meteoritos lunares, también podemos obtener información sobre las características de formación y evolución de la luna (Wiechert et al., 2001), los primeros impactos de la luna (Cohen et al., 2000 ) y el sistema solar, composición de isótopos de oxígeno (Ireland et al., 2000) y muchos otros aspectos de la información. Además, la composición química, la mineralogía y las características petrológicas de los meteoritos lunares también se pueden utilizar como puntos de referencia estándar terrestres para la detección por teledetección por parte de los orbitadores lunares. El satélite de exploración lunar Chang'e-1 de mi país está explorando actualmente la luna. Por lo tanto, la investigación sobre meteoritos lunares no sólo es de gran importancia científica, sino también de especial importancia práctica.