行星地质学简介

  翻开不同的专业书籍或词典,我们会发现它们对“地质”(geology)的定义很不同。例如,剑桥词典定义geology为“研究组成地球表面的岩石和类似物质的学科”[1]或“研究岩石和土壤及其组成的学科”[2];Geology官网定义geology为“地质是研究地球的学科,包括物质组成、结构、和地质过程,也包含栖息在地球上的生命”[3];Wikipedia定义geology为“地质学是与固体地球有关的一门地球科学,研究岩石的组成以及所经历的变化过程[4]”。可见大部分对地质学的定义是针对固体地球的。诚然,geology一词源于古希腊语,是γῆ (geo-,指“地球”)和-λoγία (logy,指“研究”和“探秘”)的合成词,是指研究地球的学问。传统地质学的研究范畴包括岩石学和矿物学、构造地质学、大地构造、地球化学、地理学、地球生物学、表面地质过程、地球物理等,这些研究大多限制在全球板块活动的框架内(图1)。

图1. 传统地质学的研究范畴大多限制在全球板块活动的框架(a)内,如图所示的几种表面地质过程,火山活动(b),冰川活动(c)和流水作用(d)。图片引自网络。

古希腊时期,地质学主要研究岩石和矿物的用处。广义上,geology可理解为能量驱动下的物质运动,这样,传统的、与固体地球有关的地质学可拓展至更广的领域。按照物质组成分类,参与地质作用的物质可涵盖太阳系内外的所有天体(图2a);按照能量来源,驱动地质作用的过程可涵盖内生和外生型地质过程的所有种类(图2b)。再加以研究尺度的限制,从显微-全球-比较行星学的地质研究可成体系。经过2000多年的发展,地质学的研究范畴已远突破仅针对固体地球的狭义定义,现代地质学是涵盖大气科学、水文学和行星科学等领域的综合性学科。

图2. 从物质组成和能量来源上定义现代地质学。(a) 太阳系内不同物质组成的天体(引自NASA);(b)天体演化过程的内生和外生的能量来源(引自Longman)。

  行星地质学(Planetary Geology)是传统地质学的自然延伸,是研究天体表面和内部过程的学科。行星地质学起源于20实际60年代前后的美、苏太空竞争,与全球板块学说建立的时间相当。彼时,大量地基观测将传统的天文学拓展至行星天文学,而深空探测计划在飞掠、绕飞和着陆探测中直接返回了大量高分辨率数据和实地样品。顺其自然,将传统地质学的研究思路运用至其他天体上,行星地质学应运而生。著名的地质学家Eugene M. Shoemaker (1928年4月28日– 1997年7月18;图3)被认为是行星地质学的创始人之一,他将传统地质学的知识创新性地运用于其他天体,在高速撞击过程、行星制图学、小行星和彗星、天体生物学等研究领域取得开创性成果,是美国和世界月球与深空探测领域的中流砥柱。值得一提的是,华裔岩石和矿物学家,赵景德先生(1919年11月30日—2009年2月3日),在行星地质学成立和发展过程中也起到重要的作用(图3)。

图3. 赵景德和Eugene M. Shoemaker是行星地质学的创始人之一,他们共同在很多地球撞击坑中发现了冲击变质作用形成的柯石英等高压矿物,建立了冲击变质研究的基础(USGS)。

  经过半个多世纪的深空探测的发展,人类探测的足迹已基本涵盖了太阳系的 各个角落。在不同探测波段下,太阳系内大大小小的天体以不同的角度呈现在我们面前。地球表面观测到的所有地质作用,在其他天体上都已有发现。虽然天体的物质组成和能量驱动各不相同,但相同地质过程所遵循的物理过程一样,表现的地貌现象可能高度一致,也可能形貌迥异。例如,天体表面的风蚀地貌(图4a)、冰川地貌(图4b),河流地貌(图4c),火山地貌(图4d)均与地球高度相似;而基性岩浆在不同天体表面冷凝时形成的地貌可能完全相似或不同(图5)。对比研究这些地貌单元的相似性和差别,不仅有助于我们了解目标天体表面的环境和演化过程,对增进地球本身的认识也极有帮助。

图4. 地球和地外相似的表面地质单元和地质过程。(a)对比地球和火星表面的风蚀地貌,左图为柴达木盆地内雅丹地貌的GoogleEarth影像,又图为火星HRSC相机获取的雅丹地貌影像;(b)对比地球和火星表面的冰川地貌,左图为中国天山山脉冰川的GoogleEarth影像,又图为火星表面冰川的CTX影像数据;(c)对比地球和Titan表面的蜿蜒河流,左图为长江中游的蜿蜒河曲,右图为Cassini雷达系统获取的Titan表面的树枝状河流;(d)对比地球和Io上最强烈的火山喷发(左图为1991年皮纳图博火山喷发)。

图5. 基性岩浆在不同天体表面喷发后形成的冷凝裂隙。(a) 地球玄武岩中发育的柱状节理,引自AGU;(b) HiRISE相机获取的火星玄武岩中的柱状节理;(c,d) LROC相机获取的月球玄武岩中未见柱状节理发育。

  行星地质学研究的终极科学问题是生命是否只在地球上出现?回答该问题需详细了解太阳系及其他星系内不同天体的地质、环境和演化特征,及其相似性和差异性。例如:地球上的生命为何起源于较晚的时期,火星是否一直如此干冷,金星是否一直如此干热,水星和月球的永久阴暗区内能否存在生命,Europa和Titan上是否有区别于地球上的生命形式?这些问题都是当前行星地质学的重大科学问题。解决这些问题需要从遥感观测、实验室物理模拟、数值模拟和野外类比等方面综合研究。这些是行星地质学的研究方法,也是行星地质学的趣味所在。

  那么,话说回来,按照广义的地质学定义,空间物理似乎也可以划为地质学的研究范畴?

参考资料:

[1] https://dictionary.cambridge.org/dictionary/english/geology

[2] https://dictionary.cambridge.org/us/dictionary/essential-american-english/geology

[3] https://geology.com/articles/what-is-geology.shtml

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Geology