作品编号：JASKP2020010 作者：沈新荣 江苏省天文学会会员 江苏省天一中学
大家一定都知道嫦娥和玉兔的故事，但却很少有人听说过月球上还有一只金蟾（图1）。其实，早在汉代，张衡就在《张河间集·灵》中说：“姮娥，羿妻也，窃西王母不死药服之，奔月……姮娥遂托身于月，是为蟾蜍。”刘向也在《五经通义》中记载“月中有兔与蟾蜍”。
图1 图中红色虚线内为月面上的玉兔和金蟾
传统上认为玉兔的传说是自汉代开始的。而据闻一多先生考证，金蟾的传说在更早的战国之前就已经形成了。他在《天问释天》中表示，屈原在《楚辞·天问》中记载的“夜光何德，死则又育？厥利惟何，而顾菟在腹？”中的“顾菟”应是蟾蜍。
如此，从神话传说的角度看，玉兔和金蟾，似乎是金蟾在前而玉兔在后了。那么，如果从科学的月球形成和演化的实际看，又会是怎样的呢？我们不妨通过几个简单的实验边做边学。
实验1：模拟月坑叠覆
活动工具：盛满较为湿润的细沙的塑料托盘、高尔夫球若干、笔、纸
操作要点：A.使用高尔夫球在沙子（模拟月面）中随机撞击，产生15个月坑，B.在白纸上画出这些月坑的位置，并根据撞击先后次序进行编号（图2）。另，实验开始前，请先观察下沙子的湿度与色泽。
图2 月坑叠覆实验结果
实验结果：从图2可以看出，7号和14号坑比2号坑晚形成，13号比1号坑晚形成。因为7号和14号坑叠加在了2号坑之上，并破坏了2号坑原有的形态；13号坑与1号坑之间也存在如此关系。
原理说明：在地质学中，测定一个地区的相对地质年代有许多方法，比如地层层序律、生物地层学、构造地质学法等。其中，地层层序律三定律由丹麦解剖学家和地质学家N.斯坦诺通过对意大利北部山脉地质构造的观察后，于1699年首先提出。三定律中的第一定律又称叠覆原理，即年代较老的地层在下，年代较新的地层叠覆在上（图3）。构造地质学法则指明：不同岩层之间的新老关系依地质体之间的切割律来判定，即较新的地质体总是切割或穿插较老的地质，或者说切割者新、被切割者老（图4）。
图3 根据叠覆原理，图中1岩层的形成年代最老，越往上岩层的年代越新。
图4 根据构造地质学法，图中各岩层形成的先后顺序为：1.3.2.4.5.6。
卫片解读：应用叠覆原理和构造地质学法，可以在雨海部分地区卫星遥感图（图5）中判断雨海（图中红色虚线内）、卡西尼坑（环形山，下同）、卡西尼A坑、阿里斯基尔坑、高加索山脉、阿基米德坑的先后形成次序。很久以前，一颗直径可达100km的巨大陨石体撞击月球并形成了雨海及其边缘的高加索山脉；之后，大量的陨石体不断撞击雨海地区，形成了包括阿基米德坑、卡西尼坑在内的许多月坑；接着，月球内部地质活动带来的大量火山熔岩填满了雨海地区，阿基米德坑和卡西尼坑的底部及其辐射纹都被掩盖；再往后，又有一些陨石体撞击该地区并在火山熔岩之上形成了阿里斯基尔坑和卡西尼A坑等环形山。
图5 应用叠覆原理和构造地质学法，可以判断雨海和高加索山脉最先形成，然后是阿基米德坑和卡西尼坑，最后是阿里斯基尔坑和卡西尼A坑。
实验2：模拟月坑分布
活动工具：继续使用实验1的工具
操作要点：A.继续使用高尔夫球在沙子（模拟月面）中随机撞击，产生5个月坑，B.在白纸上用不同颜色/符号画出这些新月坑的位置（图6）。
图6 月坑分布实验结果
实验结果：从图6可以看出，在撞击事件随机发生的情况下，撞击持续时间更长的区域分布有更多的撞击坑，即该区域撞击坑的密度更大。
原理说明：利用月坑密度来推断相对年龄的技术手段，是月球定年的一个重要依据。尤其在缺乏明显叠覆关系的时候，使用月坑大小-频率分布统计法来进行年代的识别，就显得极有应用价值。根据月坑大小-频率分布统计法，在同一个天体表面，接受撞击持续时间更长的地区，月坑的密度更大，该区域整体的年龄也更老（指该区域地层单元的年龄更老，不是指该区域具体某个月坑的年龄更老）。
卫片解读：应用月坑大小-频率分布统计法，在云海边缘部分区域卫星遥感图（图7）中判断区域A和区域B的先后形成次序。与区域A相比，月陆为主的区域B分布有更多的月坑，在年代上更为久远。目前主流理论认为，月陆上分布着月球上最古老的岩石，年龄约在41-46亿年间，而月海的年龄普遍在39亿年以下。
图7 应用月坑大小-频率分布统计法，可以判断月陆为主的区域B比月海为主的区域A年代更早。
实验3：模拟月壤成熟
活动工具：继续使用实验2的工具
操作要点：A.观察此刻沙子的湿度、色泽，B.将此刻的情况与实验1开始前进行对比。
实验结果：此刻，表层沙子较实验1开始前更干，颜色上变淡变亮。
原理说明：暴露于月表的物质会受到空间环境的作用而发生变化（渐趋成熟）。随着暴露时间的延长，物质的成熟度会相应的提升。因此，可以根据月壤的成熟度来判断月面的相对年代。
卫片解读：下图为基于Clementine多光谱数据提取的月球光学成熟度图片（假彩色图像，图8）。应用月壤成熟度法可以在图中看出，深蓝色区域为最成熟的月壤（形成年代最早），从蓝色往绿色、再往黄色和红色转变，代表了月壤越发不成熟（形成年代越晚）。
图8 应用月壤成熟度法，可以判断深蓝色区域为最成熟的月壤，红色区域为最不成熟的月壤。
实验4：模拟月坑退化
活动工具：继续试验实验3的工具
操作要点：A.轻轻震动塑料托盘，破坏月坑形态，B.使用高尔夫球在沙子（模拟月面）中随机撞击，产生3个新的月坑，C.在白纸上将被破坏的月坑和新的月坑的形态画出来（图9）。
图9 月坑退化实验结果（局部）
实验结果：受到外界各种因素的影响，早期撞击坑的形态受到了破坏，出现局部的退化。而新形成的撞击坑仍保存有较完整的形态。
原理说明：在月球定年中，月坑形态法指利用月坑辐射纹、放射状溅射物、卫星坑、月坑边缘形态等的变化情况，来确定相对年代。因为月坑的形貌并非一成不变，其结构会随着月球表面的物质坡移、覆盖，（微）陨石轰击，月球地质运动（月震、火山）而发生改变，甚至完全退化、抹灭。
卫片解读：应用月坑形态法，可以十分便利的判断哥白尼坑与埃拉托逊坑的先后形成次序（图9）。虽然两个月坑的坑内和外围都存在明显的溅射毯（撞击产生的溅射物辐射状散开落下而形成），但埃拉托逊坑的辐射纹已经消失，而哥白尼坑的辐射纹（以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带）仍清晰可见，由此可以推理哥白尼坑的形成要晚于埃拉托逊坑。
图10 应用月坑形态法，可以判断辐射纹明显的哥白尼坑比埃拉托逊坑年代更晚。
玉兔在前 金蟾随后
根据上述四个实验所应用的四种判断月球相对地质年代的方法：叠覆原理和构造地质学法，月坑大小-频率分布统计法，月坑形态法，月壤成熟度法，初步可以判定以酒海为代表的组成玉兔基本结构的几个月海形成年代较早，而以雨海、风暴洋等为代表的组成金蟾基本结构的月海形成年代较晚，其中尤以位于金蟾心脏位置的埃拉托逊坑和哥白尼坑等环形山最为年轻（图11）。
图11 玉兔在前 金蟾随后
月球绝对定年
要想确定月球不同地貌的绝对地质年代，就要用到同位素法或者月球成坑计年等方法。
美国在Apollo11、12、14、15（图12）、16、17任务中共采集了重大381.7kg的月球岩石、土壤、岩心样本，前苏联也通过Luna16、20、24任务由机器采样带回了0.271kg的岩心样本（图13、图14）。通过对上述月岩（含月壤、岩心）样本进行同位素定年是目前关于月球地质单元最精确的年龄测定方法。
图12 Apollo15任务在亚平宁山脚地区登陆并采集样本约77kg 图13 历次任务月岩采样位置图
图14 本文作者在英国访问期间，近距离观察了美国政府赠送给英国政府的月岩样本。
月岩样本数量有限，其在月球上的覆盖面也很小，无法满足大范围的月球绝对年龄测定。考虑到月球晚期重轰炸结束以来的月坑大小-频率分布一直保持着相对稳定的状况，学界通过对比所有月岩样本年龄与其所代表的的地层单元的月坑分布情况，建构了相应的函数来推算月面不同区域的绝对年龄。
月球的年代学研究是一项长期而艰苦的工作。一代又一代的学者们经过不懈努力，使得月球年代的划分逐渐明晰，详见下表（图15）。
图15 月球年代划分表（现用）
我国的嫦娥探月工程已顺利完成“绕（绕月探测）”“落（月球软着陆和自动巡视勘测）”等前两期任务。第三期任务“回（月球样品自动采样返回探测）”的规划、设计工作也已提上日程。中国嫦娥探月工程首席科学家欧阳自远院士（图16）曾说过：“中国应该‘飞’得更远，我们要相信自己有这个能力。同时，我们有责任为中华民族伟大复兴做出新的贡献，也有义务为人类社会的持续发展做出更大的贡献。”
图16 欧阳自远院士莅临天一天文社指导
（此文曾发表在2019年3月《天文爱好者》杂志）
