月球系由一块大如火星的圆石与地球撞击后而得以形成的观点能解释角动量、轨道特性和地球 - 月球系统的独特性。地球、月球在密度和化学成分方面的差异可从月球的撞击块的外壳得到解释。冲撞论从天体化学角度支持了月球形成的一种假说——碰撞假说。
地球 - 月球系统有一些独特的性质，没有一种行星、卫星系统能与之相比。譬如，微小的火卫一、火卫二很可能都是某种被俘获的小行星。地球 - 月球角动量的不规则比之高超过其他内行星；月球轨道的倾斜度是很高的。与其他巨行星的卫星相比月球与地球的质量比是够大的（约为1：81.3），但其与地球的密度比却远小于其他内行星，这可能是月球的金属铁含量较低。
由“阿波罗计划”和“登月使命”所揭示的月球的化学组分也是非常独特的。月球上完全无水；极度缺乏挥发性元素，如钾、铅、铋；而耐溶元素却很丰富，如钙、铝、钛、铀；月球上的氧化铁（FeO）含量约为其容积的50%，这一比例高于地球上地幔中的氧化铁含量。
基于上述大为不同的特性，我们认为现有的有关月球起源的观点晕不能令人信服的。由此我们提出了一个已被广泛接受的“单一冲撞理论”。“冲撞论”认为，只是在地球积聚的最后阶段、一个略大于火星的圆石与地球相撞，才由此导致了月球的生成。下面，我们将讨论这一理论的依据并讨论月球何以有如此奇特的化学组分。
先前有关月球起源的几种假说
包括我们的“单一碰撞说”，目前共有五种主要的月球起源假说，其中四种较早提出的假说因都未能阐释月球轨道或地球 - 月球系统的角动量故难以解释月，球的独特性质，同时这四种假说还必须说明在太阳的形成初期，为什么所有的内行星都伴有相同的卫星。
从处于动态的地平面要定位独立轨道上的月球是不大可能的，加之月球被认为是早期太阳系的一个普通物体，故也难以解释月球的组分特性。
地球 - 月球系统双星构成说一经提出就碰到这样一个难题，即很难说明月球的密度、组分。为了试图说明密度问题，又提出了共增生一说。该假说认为，月球系由一低密度的硅酸盐岩屑环构成。这些岩屑是某种分异微星的覆盖物，微星的铁芯核随地球的含量而积聚。此说虽有使人动心之处，但由于作为其支柱的微星的裂解是不可能发生的，而且其要达到所需的角动量也是不可能的，故也难以成立。
源于月球系由地球的地幔演化而成一说的裂变假说在解释月球的密度何以这么低、金属何以如此贫乏方面是成功的。但在登月计划实施后，从月球上取回的样品表明，月球与地球的地幔在化学组分方面有明显的差异，因而此一说也不得不放弃。作为对此一说的一种变化形式的观点认为，地幔物质是经多次轻微碰撞而抛散到轨道上的，姑且不论其内在的化学上的困难，按此说要想得到所需的角动量实在就是难上加难的事。如作再一步的推敲，还涉及到透过膨胀的地球大气层去俘获日心轨道上的物体，这一看法未得到任何支持。同时它还未能解释月球的特定状态。
单一撞击假说
月球的形成系一巨大物体（圆石）与早期的地球相撞的结果，此一假说解释了许多难题。一开始这一理论只是用于解释异常的角动量问题，但它却同时提供了对月球其他特性的解释。现在，单一撞击说已获广泛的认可。
在评价单一碰撞说时，首先面临的一个问题是，在太阳系形成之初（约为50亿年前）是否存在合适的巨型物体。有关陆地行星的起源表（在整个107 ~ 108年期间，这些行星由一组多岩微星体积聚而成）导出了巨型物体的谱系。在积聚的最后阶段，100个如月球质量、10个如水星质量和一些如火星大小的物体在卷入四大内行星前积聚于内太阳系中。
有关这一起源表有重要的证据。月球、水星、火星和外行星的卫星上均有直径1000公里以上的陨石坑和环形洼地。这表明这些星球在早期阶段（约为40亿年前）曾遭到大范围的巨型物体的密集撞击。几乎所有行星的坐标轴都显著地偏向于黄道平面，其中最典型的例子是天王星，其坐标轴已位于一侧，这可能是遭到类似地球那样体积的物体撞击之故。金星是太阳系中唯一缓慢后转的行星，这也充分表征了它曾受到过巨量冲撞，很可能是类似于火星那样大小的物体从不同的质量、角度和速度进行撞击，这种撞击将由金星及其卫星提供进一步的证据。
进一步的证据可从行星的不同组分中得到，相当均匀的行星成分系粉尘星云而非微星体的积聚物。陨石也由多种截然不同的母体构成，通常是好几种组分的化合物或巨型物块的碎片。在行星形成的早期阶段阻断的小行星带很可能是气态巨星——木星的引力作用的结果：吸附了大块的物体（最大的“谷神星1”，直径有1020公里）。最后，对水星的如此高的密度和如此大范围的铁芯核可这样加以解释，即是由于巨块物体的撞击，大量的硅酸盐外壳却遭排除所致。
碰撞动力学
对碰撞假说的研究导出了下列一系列事件。当地球基本形成时，它曾遭到一次轻微的撞击（撞击物的质量为地球质量的0.14%，撞击速度为5公里秒-1），假定地球和撞击块在核的金属含量、硅酸盐外壳的组成方面均有差异。撞击的结果是撞击块解体，裂解了的碎片大多进入了绕地球轨道，地球遭撞击后造成的偏移导致的重力转矩及撞击块的部分蒸发膨胀气体加速了碎片进入地球轨道的速度。与之相反，撞击块外壳却加速离开地球，外壳中的金属核芯与外壳分离，这种分高速度渐趋减缓，金属核在地球上积聚了4小时。
到达轨道的物质一开始是作为部分在洛希极限内（洛希极限是指一颗大卫星在不被行星潮汐力瓦解的条件下能靠近行星的最短距离），部分在洛希极限外的圆盘。在洛希极限内的某些物质最终经角动量的转换也转向极限外。这些物质可能顷刻之间就聚合成一完全熔融的月球，也可能裂解成若干个小月球，这些小月球再继而聚积成一个部分熔融的月球。地球化学研究表明，月球中至少半数以上的物质是积聚后马上熔融的。总之，是部分而非整个熔融的月球这一看法更符合于地球化学和地球物理学的研究结果。
月球的组分
仅有很少量的地球地幔物最终在月球上落户，这可由陆地地幔物质中的氧化铁含量低于月球的氧化铁含量（约为8%对13%）加以佐证。组分中85%为撞击块外壳，15%为地球地幔物质的月球需要氧化铁含量为14%的撞击块外壳。另外一个证据是，月球的地球地幔物质中的极少部分是钾的同位素，原因是相对于地球地幔物，月球的挥发性元素相当贫乏，由于挥发耗损，月球上的重钾同位素大大丰富起来。月球长石的钾同位素接近于CI碳质球状粒陨石的事实将地球地幔物质的进入限制在20%以内。
就球粒陨石的丰度而言，月球和地球的地幔显示出相似的钒、铬、锰的耗损类型。这与表征了钙长辉长岩，Shergottite陨石母体的球粒陨石的丰度形成对照。这也被认为是部分支持了月球起源于地球地幔物质的观点。但地球、月球中的锰的耗损相对于钒、铬是符合丰度表中的挥发度的，对富硫金属液和硅酸盐熔化物间的元素所作的区分试验支持了早先纯铁金属和硅酸盐熔化物间的区分试验结果，即钒和铬较之锰有更强的亲铁性。这样，如果这些元素已为地核的形成所耗损，那么与观察结果相反，钒、铬的损耗量应高于锰。因此，这些元素在地球地幔中损耗不能归咎于地核形成中的特有地球化学过程。钒、铬、锰在地球、月球中的相同耗损并不强求月球在最初一定得由地球地幔物质所构成。
撞击块成分的限定
撞击块的成分究竟是什么？一开始我们可以认为其组分是亲岩的挥发性元素，然后可对照地球、月球的亲铁元素损耗表得出撞击块外壳中的亲铁元素丰度及撞击块的大小以及撞击块核的组分。我们推断，该撞击块的质量为地球质量的0.14；其铁芯及硅酸盐外壳与地球均有差异。我们还推断，撞击块如同地球也是形成于太阳星云的相同部位（在金星和火星之间），这就能解释较低的撞击速度（5公里秒-1）及月球、地球间的氧同位素相似的问题，尽管在撞击块形成期间可能杂有一些微星体，陆地行星仍保留某些从相对窄的通道区增生的特征。这一看法得到小行星带的分区成分结构的支持。
亲岩和挥发性元素 这次撞击的足够高的能量使大多数构成月球的物质均呈汽化，这解释了月球何以如此干燥，何以众多挥发性元素在月球上均极度贫化，譬如，铋、铊相对于它们的宇宙丰度在月球中损耗了约200倍。而需在1100 k的高温下才挥发的元素（如铕、镱）在月球上就未见损耗。
如果撞击块形成于陆地行星区，那么其挥发元素必定也有所损耗，这已由地球、金星、火星上的低挥发/难熔元素比（如，k/U=(1－2)×104）加以说明，与原始的太阳星云值6×104形成对照。
相应地，铷/锶比也可能低于月球前驱物中的球粒陨石。由于地球、月球和CO，CM，CV碳化球粒陨石显示出相似的钒 - 铬 - 锰图谱，这种范围广泛的与挥发有关的损耗可能是由星云中的早期挥发损耗所致而非巨撞击所为。似乎可以下一个很保险的结论：撞击块外壳并不是由具有CI球粒陨石成分的物质所构成，不过却经受了类似于在内太阳系所见的那种挥发性遍耗，其铷/锶之比、钒 - 铬 - 锰的图谱也类似于内行星；附加的钾、其他的挥发性元素及水都是在碰撞后损失的。月球形成期间挥发损耗的物理学意义有待进一步探讨。
整个月球所富集的耐熔元素（如铝、钛、钙、铀）很可能是地球地幔的1.5倍，对此已被地球物理学的研究所支持，地球物理学方面的研究表明，只有在极端假设的条件下，月球的主体成分才能被证实与今天的地球地幔物质是等当量的。
至于撞击块外壳是否富集耐熔元素尚属未定之事，换言之，汽相的部分冷凝化也能使月球的铝、铀及其他耐熔元素富集，但这一过程可能要改变同位素比，这种效应在钾同位素中尚未观察到。我们的结论是，撞击块很可能是富集耐熔元素的，因为注意到地球在CI方面的富集度要较月球高1.5倍。这就引出了一系列诸如陆地行星的相对成分、从已分化的微星中选择性增生及有待进一步研究的大规模碰撞效应等一系列问题。
亲铁元素 亲铁元素在地球、月球中的损耗图提供了有关亲铁元素在撞击块外壳中的丰度及撞击块大小、撞击块核的情况。亲铁元素在地球地幔中的丰度的两个重要特征是强亲铁元素（如铼、铱）似乎是均布在整个上地幔，并且拥有相对丰度的球粒陨石。这些特征常常有助于后风化盖层的陨石物增生到地球上地幔，原因是亲铁元素浓度太高以致难以与金属核保持平衡。
相比之下，月球的亲铁元素损耗表示出了耐熔亲铁元素作为其亲铁特性的功能，在丰度方面（相对于球粒陨石）呈均匀递减状态（如镓，磷元素也可因挥发而耗损）。这种损耗表在量上与月球硅化物及富铁金属之间（较低度的部分熔融状态下）的均衡保持一致。只有极少量的亲铁元素，如钨和钴在月球、地球中的损耗是相近的。
有关成核的结论能够解释何以月球中亲铁元素的丰度取决于月核中的含镍量。一个富含镍的核对从硅酸盐岩相中获取亲铁元素并无价值，这样，如果月核确含有41重量百分率的镍，那么月球的亲铁元素损耗必须得由月核的形成来加以解释，而这月核的主要成分应是地球的地幔物质。我们不认为这一结论是必需的，然而，由于41%的数字是根据“阿波罗15”从月球取回的绿玻璃的镍含量推出的，因此就推断这一绿玻璃代表了取自早期月球外壳的一种液体。事实上，这种玻璃的化学性质显示出它是由月球的岩浆洋流晶化而成。如果这种岩浆流与月核持平，那么绿玻璃中的镍含量确实就能反映出月核的成分。然而，考虑到熔融金属的分离是发生部分熔融的中等程度，而岩浆洋流则很可能是月球外壳的高度局部熔融态，因此上述看法又变得难以成立，若假定月球的大部分曾经历过10%局部熔融的熔融金属分离，那么继而硅化物就可能部分或全部地熔融并构成岩浆洋流。月核中熔融金属的镍含量为10 ~ 27的重量百分率。
另一种反对富含镍的熔融金属与月球硅酸盐持平的观点基于月球中急剧衰减的氧化态，其特征是极端缺铁。晶化的月球玄武岩中的氧逸度较之同温下的地球玄武岩的氧逸度要低4 ~ 5个数量级。如果月球硅化物与富镍金属持平，则月球的氧逸度将高一些。
月球的亲铁元素表给出了撞击块中亲铁元素的四种可能的丰度。以下我们将逐一讨论这四种推断，其中第二、三种推断似更合情理。
未分异的撞击块 可能性最小的是撞击块外壳中亲铁元素颇丰的球粒陨石，即存在未从硅化物中分离的熔融金属。这种可能性是不存在的。因为若是这样的话那么月球的铁含量将是极高的，此外要了解一个大于火星的行星如何摆脱差异进入一个分离的核和地幔是很困难的。从60种以上不同的铁陨石中得出的丰度证据表明，月核的形成甚至可能在很小的小行星内。而且若撞击块缺失内核将使月球物质进入轨道更为困难。
在本模式中，在月球硅化物中观察到的总的亲铁元素耗损情况必须由月核形成加以解释。
类似于地球地慢的撞击块外壳中的亲铁元素耗损 除强亲铁元素外，其余的亲铁元素均可由小核（＜10重量百分率）分离而成（假定撞击块的核与外壳处于衡态），若核与外壳不平衡（如地球），则其核的尺寸就可以是任意的了。如果月球由与地球地幔物质性质相同的亲铁元素物质组成，则附加的金属的分凝对于产生可观察到的月球图谱是需要的。
类似于现有月球的撞击块外壳中的亲铁元素损耗 基本上由现有丰度的亲铁元素物质组成的月球的形成限定了撞击块中的金属含量。假定撞击块的核、外壳持平，且月球硅化物中钨、钴的耗量最大，则撞击块核的最大尺寸应是10重量百分率的金属。撞击块核的组分也由钨、钴的丰度所限，金属/硅酸盐的分配系数低于富硫金属，这使得撞击块核的尺寸可大于无硫金属，若假定撞击块核由贫、富硫两种金属椅成，则核内的富硫金属必超过50%。大量的富硫元素使钨的分配系数大大低于钴。在本模式中，并不需要月球中的金属冷凝来解释亲铁元素丰度，如存在月核（如地球物理学数据所4示的），则在成核期间，月球外壳与核之间必然存在差异。
撞击块外壳中亲铁元素的损耗大于月球 这种可能性极小，由于它需要从别处将亲铁元素加到月球上。中度亲铁元素钨、钴在地球地幔和月球的硅化物中具有相似的丰度。如果撞击块中的钨、钴含量明显低于月球（和地球）中的钨、钴含量，那么加入的地球物质也不会使其钨、钴含量高于月球的含量。
撞击对地球的意义
地球遭到碰撞导致了月球的生成，这对于月球的作用是毋庸赘言的。这一事件也可能触发或加剧了地球地幔的完全熔化。除了撞击块核的增生以外，撞击块外壳也能为地幔物质增加10%的量。
在上述第二、三个模式中，地球亲铁元素增生的意义取决于撞击物核的最终归属。撞击模式表明，绝大多数撞击块核最终都随着浸入地幔和包绕地核的金属溶液而进入地球。此举并未改变地幔中的亲铁元素丰度，相当量的富含亲铁元素的撞击块核材料有可能已经汽化并重新分布于地幔中。有关地球亲铁元素丰度的进一步的含义与增生的金属核有关。局部保持的撞击块金属也能解释地幔中的亲铁元素谱系。本章节的另一个重点是表明地球地幔中强亲铁元素的现有丰度源出于附加的少量的撞击块核，而其余的撞击块核则增生于地核（未见与地幔有明显作用）。在支持地球特有的阐释地幔中强亲铁元素丰度的证据方面，月球所能提供的甚少。
为了得到地幔中强亲铁元素的含量，需要加入相当于地幔质量的0.74%的球粒陨石。加入3 ~ 4%的撞击块核也能达到相同效果（假定撞击块的总量分别为地球质量的0.12 ~ 0.17之间）。所需的撞击块核的百分率要视撞击块的大小而定，与核无关，原因是撞击块中的强亲铁元素在金属中有相当的浓度。加到地幔中的含亲铁元素的金属量是很小的：对于31重量百分率的撞击块核，地幔的重量百分率仅为0.2。
结论
综上所述，我们认为，单一碰撞假说不仅可解释地球 - 月球系统的动力学特征，而且还可解释其化学特征。已经指出了该撞击块在（金属）核与（硅酸盐）外壳方面的差异。最终散积在月球上的那些物质基本上是撞击块的外壳物质。撞击块的外壳通过与核分离而损耗了亲铁元素，其现有的亲铁元素含量为月球和地球地幔的亲铁元素丰度之间，撞击块核的质量约为其总质量的10%不到；若撞击块的核与外壳持平，则其核中的富硫金属部分将约占其总质量的50%。如果撞击块的核与其外壳不持平，则撞击块的核状可能更大撞击块外壳的挥发性元素丰度类似于陆地行星的挥发性元素丰度，其氧化铁含量与地球相似。
撞击块核的最终归属对地球地幔的亲铁元素丰度至为重要，如果3 ~ 4%的撞击块核混合在地幔中，则与强亲铁元素有关的球粒陨石就可得到解释，撞击块核的其余部分不与地球地幔物质接触而直接进入地核中。
当然，从完全实证角度看，“碰撞假说”仍有待积累更多的数据，有些数据还得有赖于未来空间计划的进一步实施。例如，在受到撞击这种极端条件下，元素的地球化学变化尚很不了解；在撞击后，月球中挥发性元素的损耗及耐熔元素的丰度都不甚了了，要对此作出解释，就需要掌握更多的有关整个月球表面组分的信息，而这只能凭借轨道探测器才能获取。同样，有关月球热流的情况、月球深层表面的各种数据等也有待于进一步获取，未来的月球探测使命可能会提供更多的有关月球外壳的样品。
就地球而言，我们需要更多了解有关地幔中亲铁元素的化学性质；需要知道更多有关下地幔的情况（下地幔很少为人所知）。此外，还须解释有关行星积聚的机理，这又需要了解原始星云的组分变化，由此还会引出对水星、金星、火星的地球化学机制的评价。通过对火卫1的进一步探测，可以探测到小行星带的不同区带，这又能提供更多的现已消失的微量谱系的线索（正是众多微量的积聚形成了陆地行星），也可提供对独特的、给人以诗一般灵感的月球的更多了解。
[Nature，1989年3月2日]
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* 纽瑟姆博士（H. E. Newsom）系美国新墨西哥大学陨石学研究所和地质系教授；泰勒博士（S. R. Taylor）系澳大利亚国立大学教授。