最近开始清楚了,类地行星和行星的卫星,不仅像天文学那样,而且也像地质学那样是需要研究的对象。比较行星学分析它们的历史,有助于更好地了解这些天体的性质和地球地质史中未知的一面。

月亮

这是太阳系行星天体中间,宇宙研究的第一颗天体。用轨道飞行器和登陆站对它研究。它的表面降落了登月车,人类的足迹首次到达它表面。苏联自动站和美国宇航员把月亮岩石的标本运到了地球上。在此之前,我们得到的宇宙物质仅是陨石。

月亮,是为数不多的没有大气的天体之一,在它上面可区分为大陆和海洋。月亮大陆(月陆)的岩石,至少深达10 ~ 20公里,这不是结成的巨大的岩石,而是角砾石,本质是撞击熔化体的混合物。熔化体是在巨大的陨石撞击下产生的。仅占月亮表面16%的月海是火山爆发形成的,由玄武岩的熔岩堆积而成。

对月亮岩石的地质化学分析,勿容置疑,月亮产生在约46亿年前。首先,“大陆”产生,它的历史阶段约在44亿年前结束。同时,月亮上形成了初期的“大陆的”地壳。以后,又经过了几万万年,这个地壳受到了不同大小的陨石的冲击。约在40亿年前,受到了急剧的强烈的轰击,大致在同时,月亮朝向地球的一面形成了巨大的可能起源于轰击的洼地。

38 ~ 30亿年前,当月亮内部积聚了放射性的热量的时候,它经过了第二次巨大的升温。关于这点,是由沉没于表面洼地的并形成月海的大量玄武岩显露出来证明的。这是“海”的阶段。

现代,月亮处于“在海以后”的演化阶段,深处的岩浆活动已经明显的不表现出来了。这演化阶段开始于约30亿年前,至今只有陨石的微小的撞击、太阳风和宇宙线改变着月亮的表面,而月亮逐渐被松软的风化层所覆盖。

按化学成分,月亮的岩石可分为三种彼此不同的类型。“陆地的”,斜长岩、闪长岩等的综合岩石,并且发现与它们在一起的还有含量丰富的氧化铝、丰富的钾、稀土元素、磷的玄武岩。早期的,高钛的(含有到12%的TiO2)橄榄石玄武岩。较晚一些的,低钛的“海的”橄榄石玄武岩。

我们评定月亮的地质构造时,遇到了与地球的地形生疏的情形。月亮上的主要构造及与之相应的地貌是撞击的火山口。它所具有的特别巨大的火山口是环形的池子形状,与径向环状断裂体系相连。其中间部分,这是断裂面、沿着它发生了由幅度不大的(到1.0 ~ 1.5公里)、下降与上升的、地堑和地垒型的板块形成的、“琴键式”系统的垂直运动。月海表面的不少特征是直线状的和弯曲状的犁沟(裂缝)以及地质构造性质的悬崖。垂直移动的幅度在这里也是非常有限的(到0.5公里)。

火星

根据地球之外的天体的研究程度,火星随月亮之后占第二位。尽管火星大气比地球稀薄得多(近表面不到地球近表面的百分之一),然而,在大气中强大的风成过程正在加强,促使火星昼夜温差加剧,达100℃。

发现在火星上有着各种类型的盆地,形态上与冰河时期的盆地或与地球的河谷和河系相类似。显然,很久以前,火星上要温暖得多,表面有流动的河流。如今,火星的主要水量(约为1024克)贮存在包括冰透镜体和冻结岩石的冻土圈地壳层中。这层地壳的平均厚度,在赤道为1.5公里,在两极为6 ~ 7公里。火星的极区被很大的冰冠覆盖着;在北极区直径达1000公里,南极区达3000公里;冬天,被雪——固态的二氧化碳质点和它的气体水化物(CO2 · 6H2O型)——覆盖着。

火星表面(至少在美国探测器“海盗”号着落的地方)被风化层覆盖着,常有风化过程的标志,有着空洞和蜂巢结构的石头表面就是风化的结果。研究在两个海盗号着落地方的火星土壤,是取彼此相距2000公里的海腊斯和乌托比平原的土壤,就其化学成分来说,几乎是相同的,这是基岩经过化学风化产生的很好混和的混合体。大部分的火星土壤表明它有着像地球的基本的岩浆岩风化过程的特征,是含铁丰富的粘土混合物。磁石粒子的存在(3 ~ 7%)说明了在火星上有磁铁矿和γ · F2O3。而硫所增加的量是在硫镁矾类型的硫酸盐中(MgSO4 · H2O)。在火星土壤中同样会有氯化物和碳酸盐(NaCl和CaCO3)。

按照面积和地质学结构的特性,火星处于金星和月亮之间。如同月亮一样,火星上可分为两个主要的地区:古老的有强大火山活动的陆洲,主要在南半球;较为年轻的“海的”形式的火山平原,主要在北半球。苏联宇宙探测器“火星 - 3号”的γ分光镜测量表明,根据岩石的铀和钍的含量,火星陆洲的岩石与月陆的斜长岩 - 闪长岩的岩石接近;而火星低地的岩石接近于月海的玄武岩。

正如我们所见,月亮上和火星上,内力作用的演化早期阶段的相似性是相当大的。但是,它们的差别也是非常大的。第一,从现有的资料看,火星上初期的大陆地壳的形成时间更长,它不是如同月亮那样在46亿年前就结束了,而是在42 ~ 43亿年前才结束。第二,火星上海中的玄武岩大量显露,同样要比月亮上的时间更长一些,大约在20亿年前才结束,显露的范围也明显的大:如果月亮上的玄武岩覆盖初期陆洲地壳仅为16%,火星上则达约30 ~ 40%。

不但如此,实际上在月亮上,行星天体的地壳构造岩浆的生命力已经结束,然而在火星上,我们看到与构造的组成相关的长期的内力活动性的痕迹。内力活动性在月亮上不存在了,但它却使火星与金星、地球更接近。在火星上,地壳构造岩浆活动的新的爆发表现在无数的火山穹顶的形成。在个别地区(法尔西特,埃里齐亚,埃勒特),岩浆活动使巨大的岩穹隆起。火山占火星表面1/4以上,并有太阳系中最大的高度达15 ~ 17公里的火山。这些山,如奥林、阿尔西、巴甫里纳,它们是相当年轻的,年龄为400 ~ 70百万年。沿火山拱形隆起的周围几百至几千公里的范围内,探查了许多地堑和断裂形态的结构延伸的辽阔的体系。

对火星来说,与月亮的差别是以大范围的内力构造的现象要多得多为特征的,使它更接近于金星和地球,尤其是火里的南半球和北半球的非对称性表明了这点。“大陆的”和“海的”不同高度基准之间的区分是探察布满行星2/3的悬崖的外貌。带高度差大致为三公里的这个边界着重指出为断裂系统。

火星最宏大的线状的地质结构是水手谷的巨大裂谷体系,延伸5000公里。就其长度而言,它能与东非的裂谷相比拟。但火星上的峡谷比地球上的相似的峡谷宽得多、深得多。对于整个火星来说,能够划分成不是如同月亮的三个,而是六个构造岩浆的发展阶段:

1. 陨星强烈的撞击,最初的陆洲地壳形成。早期(46 ~ 40亿年前)。

2. 全球悬崖的形成和它表面北面部分的下沉(约在40亿年前)。

3. 大范围的玄武岩火山活动和表面洼地淹没(38 ~ 25亿年前)。

4. 法尔西特、埃里齐亚、埃勒特地区,强烈的持续的上升运动和同心辐射断层的基本系统的延伸以及地堑系列的扩展(35 ~ 20亿年前)。

5. 在岩穹隆起和在以后形火山为典型的火山上强烈和持续的火山活动(20 ~ 1亿年前)。

6. 线状构造断层和裂谷结构的扩展(15 ~ 5亿年前)。

金星

金星,最靠近地球的太阳系的行星,面积几乎同地球一样,质量和地球接近。金星的表面,常常笼罩着稠密的云层,因此,从地球上进行目视观测是不能看到金星表面的。但是,由美国宇宙探测器“先驱一金星号”对金星的雷达摄像能够查明,金星表面的地貌区域有四种主要类型。

在这个分类法中,古代金星表面分布最广的类型是高度为0.5 ~ 2公里的岗峦起伏的丘陵地,它约占 · 金星表面的60%;另有30%的表面是地形相对平坦的低地(离零水准面为0.5 ~ 1.5公里)。

也许,金星上最复杂和局部的难以猜测的是高山高原(伊什坦尔和阿弗洛奇达高原),它们有起伏大的地形、个别巨大的线状和环状的构造结构以及高山山脉系统。这些高山高原占整个金星表面的5 ~ 7%(面积相当于非洲和澳洲),高出地表面的零水准面2 ~ 10公里。

最后,在金星上在绵延起伏的平原中间少量地分布着(约占表面的3 ~ 5%)圆形的、很大起伏的山,按照形态学和地球物理学的标志,好像是年轻的(直到现在)盾形火山,它们主要是在个别山地贝特 - 菲巴 - 吉姆斯的南北线上延伸。

所发射的苏联探测器《金星 - 15和金星 - 16》,在金星的研究中迈出了新的巨大的重要步伐。当时,我们初次看到了金星地貌结构的详细情节,根据对形态的新的认识,可以完美地描述金星的历史,并且根据地貌的复杂性提醒我们注意地球的结构。例如,我们知道,在金星表面,有独特的巨大的环状结构,但并不以为这是可作为古代金星表面标志的特殊的构造地貌成因类型。月亮上没有这些结构,火星上少量分布;看来,金星上却广泛分布,这使我们很好地联想起地球古代地盾的结构。在金星表面发现未知的比构造成因类型还早一些的鳞片状板块构造,它的外观使我们想起地球上古代阿纳巴尔(苏联地名,λ110°,71°——译者)地盾的形成。

有趣的是,低地和月海一样,是金星表面相对平坦的区域,但是在其中间发现了残山和显露出更古老的鳞片结构表面的残余物以及巨大的径向环状构造的残余物。在金星“海的”区域上,有着许多巍峨的和矮小的中心型火山,它们周围有着冻结的(凝固的)熔岩流。金星上更年轻的(直至现代)和最巍峨的火山的形成,同时发生在两个径向带上:贝特 - 菲巴地区和阿弗洛奇达陆地的东面部分。

金星的复杂的大地构造活动显然是在伊什塔尔陆地的山区和它的周围。有着高山高原(拉克什米高原等等)的伊什塔尔陆地,这是某种坚硬的板块的逆断层组成的。在陆地上,后来产生了由高山高原的熔岩填满的巍峨的火山。高原的周围是山垅地形延伸的同心带区域,这区域中包括了阿克纳、弗里耶、麦克斯威尔山及与它们的边缘相连的广大地区。在审视由宇宙探测器得到的立体像时,得到了这个印象,这些生长在表面的不对称的一排山脉,好像是山脉岩石的岩片彼此在滑动。

在图上,我们同时看到了金星的岩石圈中强大的水平应力的各种现象。例如,从麦克斯威尔山向东,首次发现有图案结构的宽阔地带,很像地球的中洋脊的断裂带。这表明金星地壳中激烈的扩张过程。在这里,我们同样首次发现了这些类似断裂结构的广大地段,可是以后感到,这些地段不是扩张,相反,是挤压的地段。这个结果是由上述的“图案”掩盖的线状的弯弯曲曲的山脉形成的。金星上带着整个板块滑动的巨大构造断层大大地扩展了,同时看到,证明由扩展代替挤压条件的更加晚一些的线状裂谷和地堑。尤其是,像这样巨大的径向结构的线状裂谷,认为是贝特 - 菲巴区域的年轻火山形成的地带。

显然,火山和断裂过程是构成金星的现在大多数观测到的结构和演化的主要因素。对金星所研究的区域,早先陨星猛烈撞击的痕迹几乎完全消失了。从选出的照片上可以看到,相对来说撞击的火山口是为数;多的,这情况清楚地说明,它们还不到25 ~ 30亿年,表面的平均年龄为5 ~ 10亿年。

关于金星表面个别区域的小区地形和地貌的以实物作证的例子是有苏联自动行星际站《金星 - 9,- 10,- 13和- 14》号所传送的电视图像得到的。《金星 - 9》号降落在贝特山区北 - 东方向的坡度约为20°的山垅斜坡上,该山坡由大小超过半米的坚硬的尖角石头的岩屑堆积而成的。行星际站《金星 – 10》和《金星 - 13》落到了绵延起伏的平原上,那里,显露出遭受严亟风化的火成岩岩石。在《金星 – 14》所得到的风景画上,可以看到几乎是相同的多石平原(低地)的地段——对于新生的岩石,接连不断地在地平线上显露。这些岩石具有不明显的水平层次的风化,便想起是沉淀的凝灰岩。

有关金星表面的岩石成分的资料暂时还不多。在飞行器《金星 - 8,- 9和 - 10》着落的三个地方,用γ摄谱仪分离测定了钾、铀和钍的浓度,在另两个地方(《金星 - 13和14》),用X线荧光法找到了岩石主要元素的含量。在《金星 - 13》着落的地方,按照化学成分和矿物成分而言,岩石属于斜长岩 - 钾晶石的霞石正长岩类。有趣的是,《金星 - 8》着落地离《金星 – 13》着落地3000公里,区域上属于同一种构造成因类型,岩石所包含的氧化钾(K2O)的量是相似的(约有4%的K2O),而铀和钍的比例同样表明这些岩石属于正长岩类。可能在古代金星岗峦起伏的平原上,正长岩类分布在相当宽广的地区,没有例外,恰恰是由这S岩石形成金星最初的大陆壳层。按照自动行星际站《金星 – 9》和《金星 – 10》在着陆地确定的氧化钾、铀和钍的比例来看,当地的岩石是与拉斑玄武岩相应的,它们与暗色岩接近。另一些,更古老的岩石,接近黄铁矿。

可设想,整个金星上有以下连贯的构造岩浆活动阶段,并能够非常近似的估计年龄。

1. 早期。陨星猛烈撞击和陆洲最初的壳层形成(46 ~ 40亿年前)。

2. 表面洼地的产生(约40亿年前)。

3. 广大的暗色岩型的玄武岩火山活动和表面佳地下沉(约38 ~ 15亿年前)。

4. 板块、盾形隆起的形成,大陆核心和它们周围的山垅及鳞片地块结构的组成(约35 ~ 30亿年前)。

5. 火山成因的穹形隆起大量形成,与强大的火山爆发和巨大的同心辐射环结构的形成(约在20 ~ 10亿年前)。

6. 中心类型的火山活动的扩展(10 ~ 5亿年前)。

7. 裂谷和线状构造断裂的扩展(10 ~ 5亿年前)。

8. 线形褶皱山脉体系的形成(约5 ~ 20亿年前)。

9. 南北向的纵深的断层和与它们同时发生的火山活动的扩展(2亿年前直到如今)。

一些总结

对月亮和火星的研究,能在早期地壳有两种类型的所有的类地行星上,发现更早一些存在的未知的情况。在行星上,有着最古老的整个行星最初的、长石成分的“陆洲”地壳,长石成分是在吸积的最后阶段和行星存在的初期形成的。行星上岩浆的起源清楚了。辐射蜕变的热量在这过程中不是重要的。显然,在此我们首次遇到了在可作为行星天体形成的完成阶段特征的、巨大微星的行星表面上,引力压缩和撞击爆炸作用过程相结合的结果。对月亮和火星的研究表明,这样的过程——对行星的形成来说是常见的——和它的痕迹,必然地应该对所有的类地行星都有的。因此,在引力压缩的环境之中展开的并形成最初的全球性长石地壳的撞击爆炸过程,对我们来说是新认识的过程,在地球形成的历史中,这个过程出现的可能性以前是没有考虑的。

研究月亮、火星和金星的第二个重要的结果是,明确了早期的玄武岩熔化体是与地球同步出现的事实(36 ~ 38亿年前),搞清楚了玄武岩熔化体是堆积在早先形成的“陆洲”地壳上,覆盖在表面的洼地上。故而,在对月亮、火星和地球比较的时候,下面两种情形是要注意的。

第一,在月亮和火星上,由初期陆洲地壳的玄武岩覆盖的区域,地壳厚度实际是减小的。月亮地壳从70公里减小到30公里,火星地壳从30公里减小到10公里。可能像和地球上一样,是由于在粒晶和榴辉岩中,初期陆洲地壳的下层部分改变的缘故而发生的。

其二,初期陆洲地表面的完整性随行星体面积的增长而有规律地减小,有玄武岩覆盖的程度有规律地增大(月亮为16%,火星约为40%)。如果这个关系朝面积还要大的地球和金星推广,那么看来它们实际上不应该保全初期陆洲的地表,几乎在38 ~ 30亿年前全由玄武岩覆盖。地球的表面没有古时38亿年的岩石,与这规律无关吗?

由上述可以得出结论,同一形态的岩浆活动的强度和持续时间随类地行星的面积和质量的增加而增长,它出现的形态逐渐复杂化。关于构造过程实际上也能够说是相同的。月亮表面有撞击的环状结构和洼地以及微小的稀少的断裂构造现象;转到火星上,也是那些过程,则有更大的现象,而且断裂构造、环状结构和线形裂谷已经广泛的扩展;再到金星上,大地结构有更加复杂和更加多样化的现象,这些构造仅以地球的中洋脊裂谷带所形成的结构和褶皱山脉结构作为特征的。能够得到结论,类地行星的面积和质量愈大,行星发展的构造岩浆活动的强度、持续时间和数量也愈大,它显现的所有新形态渐渐地复杂化。

上述所有的情况在科学家面前提出了一系列地球地质史中基本的需要研究的相当复杂的问题,并且着重指出利用比较行星学的分析解释这些问题的必要性。

我们寻找地球的生命发源地,看到在地球上过去的地质过程,原则上与现代没有不同。这就意味着,我们知道的全部地质史,不管它的复杂性和不同义性如何,这仅是地球的那些特殊的结构和成分的显现和发展,这些成分在地球形成时就原是有的,而地球的进一步演化决定于它们。下面阐明这个思想。我们知道,类地行星的形成和演化沿很近的路程进行的。我们也知道,行星也像任何自我调节(其中也有生命力)的系统它们有诞生、生长和死亡的过程。而且它们的发育是按照原有的在它们诞生时的“遗传因子”进行的,“遗传因子”由它们的化学元素和相应的外界条件决定。了解这个“遗传因子”的作用机制,揭示行星的不同寿命的原理和内在生命力的强度,搞清楚行星演化的不同路径和条件,也是很重要的。

因此,应该再一次的强调指出,得到任何有关地球之外天体的情报,对于我们——地质工作者和地质化学家——来说不是最终目的,这是解释地球地质史中另一面的有效方法,而我们仅仅利用地上资料,按任何理由也不能知道这一面。目前,在我们行星生命的早期阶段、它的演化规律和将来的状况的认识方面,我们只是在寻找最初的这个诱人的和很有希望的途径。

(Земля И Вселеннαя 1985年3月)