Hình thành

Ảnh Mặt Trăng quan sát từ Bỉ

Nhiều cơ cấu đã được đưa ra nhằm giải thích sự hình thành của Mặt Trăng. Mọi người tin rằng Mặt Trăng đã được hình thành từ 4,527 ± 0,010 tỷ năm trước, khoảng 30-50 triệu năm sau sự hình thành của Hệ Mặt Trời[39].

Giả thuyết phân đôiNghiên cứu ban đầu cho rằng Mặt Trăng đã vỡ ra từ vỏ Trái Đất bởi các lực ly tâm, để lại một vùng trũng – được cho là Thái Bình Dương – [40]. Tuy nhiên, ý tưởng này đòi hỏi Trái Đất phải có một tốc độ quay ban đầu rất lớn, thậm chí nếu điều này có thể xảy ra, quá trình đó sẽ khiến Mặt Trăng phải quay theo mặt phẳng xích đạo của Trái Đất, nhưng thực tế lại không phải như vậy.Giả thuyết bắt giữNghiên cứu khác lại cho rằng Mặt Trăng đã được hình thành ở đâu đó và cuối cùng bị lực hấp dẫn của Trái Đất bắt giữ[41]. Tuy nhiên, các điều kiện được cho là cần thiết để một cơ cấu như vậy hoạt động, như một khí quyển mở rộng của Trái Đất nhằm tiêu diệt năng lượng của Mặt Trăng đi ngang qua, là không thể xảy ra.Giả thuyết cùng hình thànhGiả thuyết cùng hình thành cho rằng Trái Đất và Mặt Trăng cùng hình thành ở một thời điểm và vị trí từ đĩa bồi đắp nguyên thuỷ. Mặt Trăng đã được hình thành từ vật chất bao quanh Tiền Trái Đất, tương tự sự hình thành của các hành tinh xung quanh Mặt Trời. Một số người cho rằng giả thuyết này không giải thích thỏa đáng sự suy kiệt của sắt kim loại trên Mặt Trăng.

Một sự thiếu hụt lớn trong mọi giả thuyết trên là chúng không thể giải thích được động lượng góc cao của hệ Trái Đất-Mặt Trăng[42].

Giả thuyết vụ va chạm lớnGiả thuyết ưu thế nhất hiện tại là hệ Trái Đất-Mặt Trăng đã được hình thành như kết quả của một vụ va chạm lớn. Một vật thể cỡ Sao Hỏa (được gọi là "Theia") được cho là đã đâm vào Tiền Trái Đất, đẩy bắn ra lượng vật chất đủ vào trong quỹ đạo Tiền Trái Đất để hình thành nên Mặt Trăng qua quá trình bồi tụ[1]. Bởi bồi tụ là quá trình mà mọi hành tinh được cho là đều phải trải qua để hình thành, các vụ va chạm lớn được cho là đã ảnh hưởng tới hầu hết, nếu không phải toàn bộ quá trình hình thành hành tinh. Các mô hình giả lập máy tính về một vụ va chạm lớn phù hợp với các đo đạc về động lượng góc của hệ Trái Đất-Mặt Trăng, cũng như kích thước nhỏ của lõi Mặt Trăng[43]. Các câu hỏi vẫn chưa được giải đáp của giả thuyết này liên quan tới việc xác định tương quan kích thước của Tiền Trái Đất và Theia và bao nhiêu vật liệu từ hai thiên thể trên đã góp phần hình thành nên Mặt Trăng.

Biển macma Mặt Trăng

Vì kết quả của một lượng lớn năng lượng được giải phóng trong vụ va chạm lớn và sự bồi tụ vật liệu sau đó trên quỹ đạo Trái Đất, mọi người thường cho rằng một phần lớn Mặt Trăng trước kia từng tan chảy. Phần tan chảy bên ngoài của Mặt Trăng ở thời điểm đó được gọi là biển macma, và ước tính độ sâu của nó trong khoảng 500 km cho tới toàn bộ bán kính Mặt Trăng[9].

Khi biển macma nguội đi, sự kết tinh phân đoạn và phân dị của nó khiến tạo thành lớp phủ và lớp vỏ riêng biệt. Lớp phủ được cho là được hình thành chủ yếu bởi sự kết tủa và lắng đọng của các khoáng chất olivin, clinopyroxen và orthopyroxen. Sau khi khoảng 3/4 biển macma kết tinh, khoáng chất anorthit được cho là đã kết tủa và trôi nổi lên bề mặt bởi nó có mật độ thấp, hình thành nên lớp vỏ[9].

Các chất lỏng cuối cùng kết tinh từ biển macma có thể ban đầu đã len giữa lớp vỏ và áo, và có thể chứa nhiều nguyên tố không tương thích và tạo nhiệt. Thành phần địa hóa học này được gọi bằng tên viết tắt theo các chữ cái đầu KREEP, của kali (K), các nguyên tố đất hiếm (REE) và phốt pho (P), và có lẽ đã tập trung trong Procellarum KREEP Terrane, là một vùng địa chất nhỏ bao gồm hầu hết Oceanus Procellarum và Biển Imbrium ở phần bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trăng[27].

Tiến hóa địa chất

Một phần lớn tiến hóa địa chất của Mặt Trăng hậu biển macma là do quá trình hình thành hố va chạm. Niên đại địa chất Mặt Trăng chủ yếu được phân chia dựa trên sự hình thành các vùng trũng lớn do va chạm, như Nectaris, Imbrium và Orientale. Các cấu trúc va chạm này có đặc điểm là những gờ tròn vật chất do va chạm hất lên, và thường có đường kính lên tới hàng trăm đến hàng ngàn kilômét. Mỗi vùng trũng nhiều gờ này đều gắn liền với một bề mặt trầm tích vật phóng lớn để hình thành các tầng của địa tầng khu vực. Tuy chỉ một số vùng trũng đa gờ được xác định niên đại chính xác, chúng rất hữu ích để xác định niên đại gần đúng dựa trên các vùng đất theo địa tầng. Các ảnh hưởng tiếp diễn của va chạm là nguyên nhân hình thành nên regolith.

Quá trình địa chất lớn khác ảnh hưởng tới bề mặt Mặt Trăng là biển núi lửa. Sự tăng các nguyên tố tạo nhiệt bên trong Procellarum KREEP Terrane được cho là đã khiến lớp phủ bên dưới nóng lên, và cuối cùng nóng chảy một phần. Một phần những macma đó tràn lên bề mặt và phun trào, gây ra sự tập trung cao của bazan biển ở phía bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trăng[9]. Đa phần biển bazan trên Mặt Trăng đã phun trào trong kỷ Imbrium ở vùng địa chất này từ 3,0–3,5 tỷ năm trước. Tuy nhiên, một số mẫu có niên đại từ tới 4,2 tỷ năm trước[44] và những vụ phun trào gần đây nhất, dựa trên phương pháp đếm hố va chạm, được cho là đã xảy ra chỉ từ 1,2 tỷ năm trước[45].

Đã có tranh cãi về việc các đặc điểm trên bề mặt Mặt Trăng có thay đổi theo thời gian hay không. Một số nhà quan sát đã tuyên bố rằng các hố va chạm có xuất hiện hoặc mất đi, hay rằng các hình thức khác của các hiện tượng tạm thời có thể xảy ra. Ngày nay, nhiều tuyên bố như vậy được cho là không thực tế, vì việc quan sát được tiến hành dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau, quan sát thiên văn học kém, hay sự thiếu chính xác của các tấm bản đồ trước đó, Tuy nhiên, người ta biết rằng hiện tượng phun trào khí đôi khi có thể xảy ra và chúng có thể là yếu tố chịu trách nhiệm cho một tỷ lệ phần trăm nhỏ các hiện tượng nhất thời trên Mặt Trăng đã được thông báo. Gần đây, đã có ý kiến cho rằng một vùng có đường kính khoảng 3 km trên bề mặt Mặt Trăng bị biến đổi bởi một sự kiện phun trào khí ga khoảng 1 triệu năm trước[46][47].

Đá Mặt Trăng

Đá Mặt Trăng được xếp thành hai loại, dựa trên địa điểm tồn tại của chúng tại các cao nguyên Mặt Trăng (terrae) hay tại các biển. Đá trên các cao nguyên gồm ba bộ: anorthosit sắt, magiê và kiềm (một số người coi bộ kiềm là một tập hợp con của bộ magiê). Đá thuộc bộ anorthosit sắt gồm hầu như chỉ là khoáng chất anorthit (một calic plagiocla fenspa) và được cho là đại diện cho sự tích tụ plagiocla trôi nổi của biển macma Mặt Trăng. Theo các biện pháp tính niên đại phóng xạ thì anorthosit sắt đã được hình thành từ 4,4 tỷ năm trước[44][45].

Đá bộ magiê và kiềm chủ yếu là đá sâu mafic. Các loại đá đặc trưng gồm dunit, troctolit, gabbro, anorthosit kiềm và hiếm hơn là granit. Trái với bộ anorthosit sắt, các loại đá này đều có tỷ lệ Mg/Fe cao trong các khoáng vật mafic của chúng. Nói chung, các loại đá này là sự xâm nhập vào lớp vỏ cao nguyên đã hình thành từ trước (dù một số ví dụ hiếm hơn có lẽ là sự phun trào dung nham), và chúng đã hình thành từ khoảng 4,4–3,9 tỷ năm trước. Nhiều loại đá trên có sự phổ biến cao của, hay về mặt phát sinh có liên quan tới, thành phần địa hóa học KREEP.

Các biển Mặt Trăng gồm toàn bộ các biển bazan. Tuy tương tự như bazan Trái Đất, chúng chứa nhiều sắt hơn, và hoàn toàn không có chứa các sản phẩm bị biến đổi bởi nước, và chứa nhiều titan[48][49].

Các nhà du hành vũ trụ đã thông báo rằng bụi từ bề mặt kết xuống giống như tuyết và có mùi thuốc súng cháy[50]. Bụi hầu hết được hình thành từ thủy tinh điôxít silic (SiO2), có lẽ được tạo ra từ các thiên thạch đã đâm xuống bề mặt Mặt Trăng. Chúng cũng có chứa canxi và magiê.