地球近幾億年遭受更頻繁小行星撞擊行星與地球會撞出什麼火花？

知識 02-11

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網路信息中心

近日，以加拿大多倫多大學地球科學系的Sara Mazrouei為首的科學家團隊通過分析月球的小天體撞擊，發現近2.9億年里地球和月球遭受的小天體撞擊頻率是之前的2.6倍。這一成果發表於2019年1月18日的《科學》雜誌。

以月為鏡

想要追溯地球在過去的四十多億年里被小行星和彗星的撞擊歷史是非常困難的，因為即使是那些可以穿過大氣層成功撞上地球陸地的小天體，它們在地球表面留下的痕迹——撞擊坑，也絕大多數都被之後的板塊活動、火山、地震等等地質活動以及生物活動抹去了。即使有少數還沒有被完全抹去痕迹的撞擊坑，也很難被發現和確認。

山清水秀的地球上，目之所及看不到一個隕石坑

阿波羅17號拍攝的「藍色彈珠」。

目前為止，地球上一共…只確認發現了190多個隕石坑。直徑在10公里以上的，包括去年新確認的格陵蘭島Hiawatha隕石坑，一共也才只確認發現了80個，而且其中很多早已被嚴重侵蝕，很難從地表看到痕迹了。

地球上目前已發現的大型隕石坑分布（不完全統計），注意圓圈大小並不是實際的隕石坑大小，但正比於實際隕石坑的大小。

等等，你咋知道這是因為地球上大部分撞擊坑都被抹去了，而不是本來這麼少呢？因為我們有天然的對照組——地球的鄰居月球。雖說特別小的撞擊體會被地球的大氣層「拒之門外」，但對於能夠穿過大氣層的稍大一些的撞擊體來說，撞月球和撞地球的幾率是差不多的（根據理論計算，地球上單位面積受到的小天體撞擊頻率是月球的近2倍），也就是說，地球上的撞擊坑密度理論上應該有月球的2倍，那實際上呢…

表面積只有3793萬平方公里（地球的7.4%）的月球上，直徑大於20公里的隕石坑有近7000個，直徑大於1公里的隕石坑…emmm不是天文數字，也就…一百多萬個吧。

（左）典型的月球高地地貌，撞擊坑遍布。（右）月球上直徑大於20 km的撞擊坑分布。

當然，地球上還有很多撞擊坑尚未被發現和確認，但毫無疑問，被打成了篩子的月球已經展現出了碾壓式的差距。所以，地球上大部分撞擊坑確實已經被抹去了，一起被抹去的，還有那些被撞擊坑記錄下的地球歷史。

那麼，直接追溯月球的撞擊歷史，然後來反推地球的情況不就得了么？事實上科學家們確實就是這麼做的。

那些年，那些月球告訴我們的事

1969-1972年，阿波羅11、12、14、15、16、17號成功實現了載人登月，並在月球表面完成了一系列至今尚無來者的實地探測。阿波羅任務帶回的岩石樣品讓我們可以通過同位素定年來測量月球不同區域的形成年齡。

從不同岩石樣品的年齡中，科學家們發現月球在約38.5億年前似乎經歷了一波突然而劇烈的小天體撞擊，而在那之後，內太陽系遭受的暴擊大大減少了，直到今天。很顯然，如果真的有過這樣的事件，那不可能只有月球經歷了——內太陽系所有的大型岩質天體應當都不能倖免，包括地球。這就是著名的晚期大撞擊（LHB）假說。

（左）阿波羅號和月球號樣品顯示的幾個著陸區的絕對年齡；阿波羅樣品的定年結果顯示月球乃至整個內太陽系在約38.5億年前可能經歷過一波突然而劇烈的小天體撞擊，而從20億年前左右開始直到現在，撞擊量趨於穩定。

關於晚期大撞擊假說，至今仍然有很大的爭議。阿波羅任務帶回的樣本真的足夠可靠嗎？畢竟我們手頭的樣本那麼有限。晚期大撞擊真的發生過嗎？或者即使真的發生過，又真的是一次短暫的驟發事件嗎？

但無論如何，有一點是大家公認的：內太陽系近10億年受到的小天體撞擊頻率遠小於三四十億年前的時候，而且近10億年里受到的撞擊頻率較為穩定，沒有很大變化——這也是科學家們用來建立地月撞擊歷史的一個基本假設。

來自地球的矛盾：我不一樣，是被「抹掉」了么？

然而，地球上目前確認的隕石坑年齡分布並不符合這個基本假設：地球上目前確認的80個直徑大於10公里的隕石坑裡，形成於近3億年的有近50個，而形成於3-10億年前這一時期內的隕石坑只有約20個。似乎，近3億年的小天體撞擊在近10億年這個時間段里特別多？當然不能這麼草率地下結論啦。更加容易被接受的解釋是：越古老的撞擊坑經歷了越多越久的侵蝕作用，也就越容易被「抹掉」，所以越古老的隕石坑留下的數目越少，這再正常不過了。

所以我們如何才能知道是地球上3-10億年前這段時間裡的撞擊坑（也就是小天體撞擊）確實少，還是被抹掉了呢？

唯一可以作證的，還是月球。如果可以把月球上近10億年里形成的大小相當的撞擊坑做一個同樣的對比，不就知道到底是哪種了么？但問題是，一個地球上的撞擊坑形成於什麼時候，可以通過採集這個撞擊坑對應的撞擊熔融物，通過放射性定年來精確知道。但月球呢？很遺憾，雖然阿波羅任務帶回了一些月球樣本，但這隻能幫助我們了解月球上少數幾個區域的年齡，至於某個特定撞擊坑的年齡——我們目前還無法直接且精確地測量…

如何知道一個月球撞擊坑的年齡？

在無法使用同位素定年方法的情況下，粗略估計一個撞擊坑的形成時間行不行呢？答案是可以的。月球這種幾乎沒有大氣層和地質侵蝕的天體吶，就像一個天然的博物館——近30億年來的小天體撞擊留下的撞擊坑，大部分都被保留了下來，這些撞擊坑為我們判斷年齡提供了一個天然的標尺。

一個區域里的撞擊坑數目越多（密度越高），說明這個區域越古老。那麼同樣的道理，一個已經形成的撞擊坑周圍，進一步覆蓋的撞擊坑數目越多（密度越高），就說明這撞擊坑形成的時間越古老。

月球上的（左）阿里斯塔克斯撞擊坑和（右）第谷撞擊坑周圍的連續濺射毯（也就是被撞擊濺射物覆蓋的主要區域）上的撞擊坑密度對比，表明前者比後者要古老。

除了撞擊坑周圍更年輕的撞擊坑數目的多少之外，撞擊坑周圍的石塊多少也是一個標誌著撞擊坑形成年齡的顯著標尺。一個足夠大的撞擊坑會擊穿月壤，撞入更深的基岩，這時就會挖掘和濺射出粗糙的石塊。也就是說，一個剛形成不久的（足夠大的）撞擊坑，周圍會有很多石塊，而隨著時間流逝，這些石塊慢慢破碎，進而消失，10億年以上的撞擊坑周圍幾乎不會有石塊——簡而言之，一個撞擊坑周圍的石塊越多，表明這個撞擊坑越年輕。

月球靜海中兩個大小都是約500米的撞擊坑，左邊的周圍幾乎沒有石塊，右邊的周圍有很多小石塊，說明右邊的撞擊坑形成的時間更晚。

好的，所以把這些撞擊坑或者石塊都數出來就能推測原本的撞擊坑的年齡了！但…這也工作量太大了一點吧…有沒有更便捷的方法呢？還真有。石塊的多少，還對應了這塊區域的熱輻射強度：石塊多的地方，熱慣量更大，而石塊少的地方（也就是月球表面的細膩月壤）熱慣量則小得多。熱慣量大的，溫度變化會小一些，於是到了晚上會更容易保持白天的溫度。也就是說：石塊多的區域，夜間會比周圍石塊少的月壤區域溫度高。

發射於2009年的月球勘測軌道飛行器LRO攜帶了一個熱輻射計Diviner，用它的熱紅外通道數據就可以計算月球表面各個區域的夜間溫度。

月球勘測軌道飛行器LRO示意圖。

然後通過夜間溫度可以計算這個區域的石塊所佔的百分比（RA）。

月球上Giordano Bruno和Byrgius A撞擊坑通過Diviner計算的石塊百分比RA。

石塊越多的撞擊坑，年齡越小，Mazrouei和她的同事們就是通過這個方法確定了月球上111個形成於10億年以內、直徑10公里以上的撞擊坑的年齡。

月球上的撞擊頻率確實增大了

在這111個撞擊坑裡，56個形成於近2.9億年內，而2.9-10億年前這7億年里只有53個撞擊坑——平均到相同的時間間隔里的話，相當於近2.9億年里月球上的撞擊坑頻率是之前7億年里的2.6倍。

月球上10公里以上的年輕撞擊坑的（左）年齡分布和（右）密度對比。

這個2-3倍的差異和地球上隕石坑的年齡分布居然是吻合的！

地球上侵蝕速率其實也沒有那麼快

另一方面，Mazrouei和她的同事們驚訝地發現，地球上近6.5億年的侵蝕速率其實也沒有那麼快。一個輔證來自對地球大陸的侵蝕速率考察。來自同位素定年的結果顯示，穩定的大陸上侵蝕速率最高也就2.5米/百萬年，也就是說在過去的6.5億年里最多侵蝕了1.6公里的垂直深度——並不足以抹掉直徑10公里以上（對應的深度約有不足2公里）的地球隕石坑。

另一個輔證來自金伯利岩管的參照。金伯利岩是岩漿在地下淺層固化的產物，這些火成岩在地下可以形成1-2公里深的胡蘿蔔形狀的岩管。最重要的是，這些金伯利岩管也和隕石坑一樣，會因為各種地質作用而被侵蝕變淺。

金伯利岩管示意圖。繪製：於大鎚

然而，作者對比了形成於各個地盾區內的撞擊坑和600多個已經有明確定年的金伯利岩管。

地球大陸各個地盾中的撞擊坑大小、年齡和金伯利岩管分布。

發現古生代以來（5.4億年至今）的這段時間裡的金伯利岩管留存量都很高，表明這一時期的各種地質侵蝕確實只有1公里深左右，不足以抹去1-2公里深的金伯利岩管，自然也同樣不足以抹去直徑10公里以上的地球隕石坑。

直徑10公里以上的撞擊坑和已有明確定年的金伯利岩的年齡分布，明顯可見地球上發現的大型隕石坑幾乎都在6.5億年以內，而同時近6.5億年里各個地盾的金伯利岩管留存量也很高。另一方面，6.5億年之前幾乎沒有隕石坑和金伯利岩管。

地球：更頻繁的撞擊

總結一下就是：近2.9億年里月球遭受的小天體撞擊頻率是之前的2.6倍，而地球在近6.5億年里也沒有發生什麼嚴重的侵蝕活動。所以地球在近2.9億年里受到的隕石撞擊應當也和月球一樣，是之前數億年的2-3倍。而且雖然地球上絕大多數隕石坑都被抹去了，但這種侵蝕作用並沒有改變地球保留下來的撞擊坑的年齡分布。

不過，地球上前寒武紀的隕石坑幾乎沒有保留至今的，這可能意味著約6億年前的那次全球冰封（也就是雪球地球）事件規模之大，足以把幾乎所有的隕石坑一波帶走了。