卫星地质

[拼音]：weixing dizhi

[外文]：geology of satellites

太阳系九大行星中，除了水星和金星没有卫星外，其余七大行星都有卫星（见比较行星学）。此外，还发现几个小行星也有卫星。卫星地质主要研究太阳系卫星的构造、组成和地质演化问题。目前人们除了对月球有实地考察及取样分析外，还利用宇宙飞船对火星卫星、部分木星卫星和土星卫星进行过近距离摄像观测。

月球

地球的卫星（见月球地质）。

火星的卫星

火星有火卫一和火卫二两颗卫星，体积都很小，形状不规则。表面布满大大小小的撞击坑(图1)，表明这两颗卫星很古老。这两颗卫星表面不平坦，地形的相对高差可达1000米，表面还有沟和链式小撞击坑。火卫一上的平行沟宽达50～100米，链式撞击坑的分布与轨道面平行，其中有些坑可能是次生的。火卫一的密度为1.9克／厘米³，比火星密度小。反照率低(0.06)，表明其表面覆盖玄武岩或碳质球粒陨石之类物质。两个卫星表面还有类似月球表面的浮土，可能是陨石撞击形成的。两个卫星的自转周期都与绕火星运行周期相同，它们的形状长轴总指向火星，一般认为这是潮汐效应的结果。形状不规则的火卫一和火卫二是较大天体碰撞产生的碎块，也有人认为这两个卫星是被火星俘获的小行星。

木星的卫星

木星有众多、大小不一、地质演化程度不同的卫星。“先驱者”10号和11号，尤其“旅行者”1号和2号空间探测器的近距离观测有许多重要发现。

木卫三

木卫三比水星还大，但质量比水星小些，平均密度为1.95克／厘米³，大约由各50％的水冰和岩石物质组成，没有大气。它的表面有较暗的古老撞击地形，带有许多断层的沟槽地形（由冰壳构造运动历史造成）和年轻的、带放射纹的撞击坑；另一面有直径约3200公里的暗色撞击圆形特征，它是最大的古老撞击坑，还有亮的脊和沟地形，它们比大多数重撞击暗区年轻。由于冰壳的冰川式蠕动结果，木卫三缺少地形起伏。图2表示木卫三的南北向宽条沟槽地形。较大亮条(沟槽)将撞击地形分割为几百到约1000公里大小的孤立多边形。在高分辨率照片上，木卫三的沟槽地形有许多网格状特征，表明它早期有壳活动和流动，有点类似于地球板块构造。木卫三上有许多弯曲深沟和脊（图3），这是许多古老撞击盆地的独特特征。图3中还可见到许多环形山撞击坑，有些还有中央峰。大的撞击坑直径达150公里。有些坑还有亮射线系，类似于月球环形山。

木卫四

比木卫三小些。密度（1.81克／厘米³）也较小，表明其总组成中含大量H₂O。它的表面较暗，是多尘的冰表面，在4个伽利略卫星中，木卫四的表面受撞击最严重，也是最古老的，大约40亿年前陨石撞击时期结束。它的表面有个特别的同心环结构，此结构是个大撞击盆地，很象月球的雨海和水星的卡路里盆地，外环约2600公里大小。亮圆斑约 600公里大小。木卫四缺少高的脊、环形山脉和大的中央凹陷，表明撞击作用产生激波、熔融和流体的流动。流体及时再冻结而保持同心激波环。图4是此同心环的局部高分辨率照片。右边扰动小的区域密布大撞击坑，它们是木卫四大部分表面的典型撞击坑。坑数向环结构中心（图左边）减少。这是形成环结构的大碰撞破坏了更老的撞击坑的缘故。

木卫一

木卫一的地貌要比木卫三、木卫四年轻。木卫一上有8个活火山，有的正在喷发，喷发物高达70～300公里。有的抛射速度超过1公里／秒，比地球上的维苏威等火山还猛烈。火山喷出的硫和二氧化硫结霜，沉到木卫一表面，使它呈现橘黄色。木卫一上有断层，有火山区，有复杂的悬崖和孤立的高地（地质学家解释为悬崖侵蚀后留下的“岛屿”）。二氧化硫（表面下的液体）被认为是产生这些特征的决定因素。木卫一绕木星转动轨道附近的车胎状电离硫和氧原子环的形成与木卫一火山喷出的大量二氧化硫有关。

木卫二

表面是冰壳，它覆盖在水或丰融冰层（厚约100公里）上面，内部是硅酸盐。壳上有大尺度断裂和脊系的复杂条纹。但撞击坑很少。这表明它的壳很年轻，或许是由于放射物衰变和潮汐加热的结果。木卫二表面的构造过程造成上述地貌，但没有象木卫三那样的板块移动，而是各板块大致在原位置上。木卫二表面断裂有的超过1000公里长，大断裂宽二、三公里(超过壳厚度)。大概沿裂缝的新鲜冰或雪及冷的冰川式流动抹去了撞击特征。

土星的卫星

土星也有众多卫星。

土卫六有浓厚的奇特雾霾大气（约有 400公里厚），在两极区可能形成液氮湖泊。表面温度大约100K，略高于液氮沸点。没有测出土卫六有磁场，因而没有大的导电核。然而，它供给土星磁层少量带电粒子。

土卫一至土卫五大概主要由 H₂O冰组成，除了土卫二，其余4颗卫星都有严重受撞击表面，土卫一上的一个大撞击坑，直径达土卫一直径的1／4，有边缘隆起和中央峰（图5）。土卫一表面布满 45亿年前的早期小撞击坑，还有一个东北-西南走向的长而窄（约 5公里宽）的深沟。长期的陨石撞击使它的冰壳表面碎裂为冰粉。土卫二似乎缺少撞击坑或其他起伏地势，或许内部过程抹去了这些结构。土卫三朝土星一面是严重受撞击的，还有一个长800公里、宽70公里的长谷。土卫四两半球截然不同。背（土星）面有亮的放射状特征，可能是撞击抛出碎块的射线，一些亮区可能是地形脊和谷。另一面有许多撞击坑，最大的直径不到100公里，有发育的中央峰。北极附近有曲折谷。可能是冰壳断裂。土卫五表面撞击坑繁多，最大的直径约300公里，它的古老表面很象月球和水星。某些古老撞击坑被后来撞击削蚀。有些坑缘陡、有些缓，有的坑缘很亮，可能是陡坡暴露的新鲜冰或破裂区漏出挥发物沉积的新鲜冰。土卫七和土卫八可能也是水冰组成的，土卫八总以暗的半球朝向土星，反射光只有亮的另半球的1/10左右。

卫星的演化

除了月球地质已有系统的研究外，卫星地质研究还处于初级阶段，就地质演化角度来说，卫星与行星之间并没有严格界限，事实上它们有许多相似之处；另一方面，卫星又各具特色，从大小、组成和演化程度上有所不同。综合大量资料和理论分析，无疑会把太阳系天体的形成演化研究推向一个新阶段。

卫星的形成（或起源），现今一般认为是由太阳星云的固态凝聚物质集聚形成的。先集聚成小物体(星子)，星子进一步集聚成卫星，这可以自然地说明卫星上的撞击构造。内行星（地球、火星等）及其卫星主要由硅酸盐一类成岩物质集聚形成；而外行星（木星、土星、天王星、海王星、冥王星）区温度低，更多的各种冰物质（水氨、甲烷等）与成岩物质一起凝聚为固体，共同集聚形成外行星的卫星。所以这些卫星显示冰球特征。

刘易斯(J.S.Lewis)等讨论了不同凝聚(平衡的和非平衡的)及吸积（分异的和综合的）的4种卫星的结构和热历史模型：

（1）平衡凝聚和综合吸积；

（2）平衡凝聚和分异吸积；

（3）非平衡凝聚和综合吸积；

（4）非平衡凝聚和分异吸积。不同模型导致卫星的结构和演化史不同。在温度高于160K的情况下，前两种模型都形成CI型碳质球粒陨石物质的卫星，两个火星卫星和木卫一可能属于这类卫星，它们有内部放射热源。一般说，第一种模型是最可能的，这种方式形成的卫星可分两类。第一类是半径小于1000公里的卫星（如天卫一、天卫二、天卫三、天卫四，土卫三、土卫四、土卫八、土卫九），由硅酸盐和水冰组成，不会熔融和显著分异。但若含NH₃、H₂O，且半径大于 500公里，中心部分可熔融并有些分异。半径700公里以上的卫星，可发生显著分异，形成50～200公里的硅酸盐核。300～400公里的水和氨冰溶浆幔及 300～400公里的未熔冰壳，大约形成后 10亿年时熔融最大。第二类是半径大于1000公里的大卫星（木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、土卫六、海卫一等），中心温度较高，产生较大熔融。若卫星半径很大，硅酸盐物质的重力下沉成为重要热源，如含量多，可先导致表层熔融，以致全部熔融和严重分异。（见彩图）

参考书目

1. J.A.Burns ed.，Planetry Satellites，the Univ.of Arizona Press，Tucson，1977.
2. J.K.Beatty， et al.，The New Solar System，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1981.