金星在产生失控的温室效应之前是怎样的情况?

答案是不知道。金星可能算是太阳系里面疑问最多的类地行星。只有以后的金星研究和探索才能解答这个问题。我这里只能总结一下现在的研究成果和方法。只是根据已有的观测来推断以前最可能的环境,但数据还不足够来区分哪个才是更真实的:有可能和地球一样宜居,也有可能一直都是温室但有不同的地幔动力学和构造。唯一能够确定的是,早期金星存在过今天已经没有的环境和条件。至于那消失的条件是什么,我们不知道

要判断早期金星的气候和环境,我们必须通过某种途径获得当时的地质记录。一个判断类地行星岩层绝对年龄的方法是统计撞击坑大小和频率,地表撞击坑密度越高说明其年龄越大。1990年,美国麦哲伦号获得了高清晰度金星地表成像后,没有发现液态水存在后留下的痕迹,不存在地球板块构造边界排除了金星仍有板块构造的可能性。但有趣的是,金星地表的撞击坑非常稀少,早些研究估计平均地表年龄( T )只有 750_{-400}^{+350}Myr (McKinnon et al., 1997)。近些年改善了撞击频率模型后,把 T 估计到只有 240\pm10 Myr150_{-40}^{+50}Myr (Le Feuvre and Wieczorek 2011; Bottke et al. 2016),这与地球上通过板块构造不断更新的海洋地表年龄相当。相比之下,其他月球、火星和水星的平均地表年龄 >3000Myr 。由于金星地表平均年龄的不确定性,我暂时用 T 代表,已知 100Myr\leq T \leq1000Myr

金星如此小的 T 也说明地表在最近被更新过,但这也代表着金星大部分早期历史的地质记录已经被破坏或清除,至少没有暴露在地表。没有液态水或宜居性的特征,也只能说是在过去 T 时间内没有。而且这并不说明全部地表的年龄都是 T ,Ivanov and Head (2011) 区分出了13个年龄不同的地层单位,而最古老的单位—Tessera地势—占金星地表面积8%,表面年龄是 1.6T (Perkins, Gilmore & Herrick, 2019)。Tessera是经历过剧烈构造变形后的高地、高原类地势,它们在地形上比周围都高,但在地层上是最低的。不过就算是 1.6T,这个年龄也不是很古老,仍没有包括早期金星的地质历史。但要知道,1.6T 是Tessera地势的地表年龄,仅说明了地势的最后一次构造更新的时间,Tessera到底是何时形成的仍然是未知数,它们很可能是获取早期金星地质历史的钥匙(Gilmore et al., 2017)。

古老的Tessera地势告诉了我们什么?

岩石成分是限制构造演化最好的工具。岩浆岩可以被分为超基性岩、基性岩、中性岩和酸性岩,越往后岩石就越化学地演化过。地幔由超基性橄榄岩组成,地幔部分熔融后会产生基性玄武质岩,玄武岩质岩进一步熔融便会产生中性岩或酸性岩。在地球海洋中脊处,地幔减压熔融不断创造新的海洋玄武岩质地壳。玄武岩质地壳在俯冲带沉入地幔,又被部分熔融产生酸性岩浆。酸性岩浆密度更低可以浮在地幔和玄武岩质地壳之上,于是形成了大陆地壳。

地球之外,我们再没有发现没有任何一颗类地行星有着酸性岩成分的地壳,火星和月球上存在非常少的酸性岩(Morris et al., 2016),但其体量远不能和地球大陆地壳比较。之所以存在这样的演化分歧,有两个被认可的原因:1)地球存在大量水,2)地球存在板块构造。干玄武岩有着异常高的熔融温度,只有在很大深度下重融,而且是全部熔融。但是湿玄武岩可以显著降低熔融温度,并让玄武岩部分熔融,产生中性岩和酸性岩。湿玄武岩来自玄武岩质地壳与海洋的水合作用,将湿玄武岩重塑成酸性岩再喷发出来的循环机制是板块构造。这两个因素造就了地球大陆地壳的形成。值得一提的是,水和板块构造是紧密互联的。富水岩石圈的屈服应力更低,更容易发生脆性变形,使板块构造更加可能(Korenaga, 2013);而伴随板块运动的挥发份循环是稳定大气温室气体和决定大气成分的最重要机制,保证温度范围允许地表液态水海洋的存在(Walker et al., 1981)。这两个加起来是生命起源和进化不可缺少的要素。

金星地表80%是火山平原和火山结构体,形成于很短时间内,这些岩石最自然的成分想必就是玄武岩质,地幔熔融直接产物。剩下20%,受过剧烈构造变化,已经无法确认原始成分,其中包括Tessera地势(Ivanov & Head, 2013)。7个金星着陆器,都在火山平原上,6个返回数据显示岩石均为玄武岩质(Gilmore et al., 2017)。另一种限制岩石成分的方法是通过雷达测量地表热辐射发射率。风化平原和年轻火山结构都与地表平均发射率和高发射率区域对应良好。酸性岩则有着比基性岩更低的发射率(Hunt and Salisbury, 1970)。有趣的是,Tessera地势的发射率却异常低(Gilmore, Mueller & Helbert, 2015),符合大陆地壳成分岩石的发射率。

根据此,有两个成分假说可以解释这个现象(Gilmore et al., 2017):

  • Tessera地势是酸性岩。如此量产酸性岩可能说明了早期金星曾有海洋和板块构造,而Tessera地势是幸存的古陆,更低密度的花岗岩大陆浮在基性地壳和地幔上。另一种可能性是玄武岩岩浆分异,但效率非常低,要求比现在金星火山平原多一个数量级的熔岩体积才能产生。
  • Tessera地势是基性岩。在经历过火山平原喷发后,大气层 H_{2}O 含量短暂性升高,这一环境下玄武岩风化产物会表现出类似的低发射率。

那最好的假说是哪一个?我们不知道。Gilmore & Stein (2017) 仔细对比了Tessera地势上不同撞击喷出的年轻和古老物质发射率,认为Tessera地势相比火山平原更符合低密度或非玄武岩质成分。Mueller et al (2017) 扩展了反射率的光谱窗口,发现Tessera发射率在更长波段的变化同样符合酸性岩在这段的发射率。这或许意味着Tessera地势是酸性岩成分的可能性更高,当然这也不确定,甚至是变质岩也是可能的。但基本可以肯定的是,Tessera地势形成在一些已经不再存在的条件下,是早期金星不同气候和地幔动力学下的产物。

酸性成分的Tessera?

如果Tessera地势最终被证明是酸性成分,这种大陆体积的酸性高原的最可能成因当然就是类似大陆地壳的成因—玄武岩质地壳在有水的存在下分异产生。要形成如此巨量的花岗岩岩浆,板块构造和水几乎是所有动力学机制里面必须存在的。因此,Tessera地势很有可能是早期气候适宜时的地质遗迹,一段当金星还有海洋的远古时期。大陆地壳因为很强的浮力,它对俯冲和全球性地表更新/火山事件有很强的抵抗性,所以它们通常可以一直存在,就算是板块构造结束后。

除了板块构造以外,其他的酸性岩浆形成机制也存在,比如7个金星着陆器中的一个就有可能检测到了酸性岩(Kreslavsky et al., 2000)。如果早期金星的地幔含有合理含量的挥发份,地幔熔融后的成分可以非常广泛。虽然制造酸性岩浆的效率不是很高,但如果火山平原类地表更新事件—在一个时间段内喷出大量熔岩覆盖大面积地表—在过去发生过许多次,足够的基性岩浆分异的确可能制造出Tessera地势体积的酸性岩浆(Gilmore et al., 2017)。不过在这个情况下,Tessera地势建造必然是贯穿了整个金星演化历史的,而金星气候则是一直保持在温室里的。

未来探索热点

以后需要解决的问题包括温室效应是何时以及为什么开始的,过去的大气成分,是否存在过海洋,地幔构造演化历史,Tessera的成分和成因。如果能在金星地壳中检测到剩余磁,说明早期金星也曾有过磁场(O’Rourke et al., 2019)。磁场的存在意味着板块构造或间断性板块构造曾运转过,或者是静止盖层构造但伴随了非常高的熔体和地壳生产率(Smrekar, Davaille & Sotin, 2018)。

未来探索就不要指望NASA了,NASA基本上自90年代麦哲伦号之后直接放弃金星了,全心向火星进攻。ESA M5的三个提议计划中有一个是金星探索EnVision,其他两个是红外线望远镜和高能物理,到底实施哪一个只有到了2021年才知道,不过EnVision是专门为研究金星地质而设计的。Roscosmos有个Venera-D,金星轨道卫星+着陆器,着陆器在Tessera地势上可以检测矿物组合和元素丰度。

简化版答案

好多人因为专业术语的使用可能看不太懂。简单的说就是,金星地表年龄只有几亿年,所以我们没有几十亿年前的地质记录,很难推测当时的环境。但是呢,金星最古老的地表结构——Tessera——很可能是金星早期的遗留。它的成分比较符合酸性岩,不过一旦证实的话,可能说明金星曾有有过海洋和板块构造。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:天苑四

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