理想月球基地 | 熔岩管洞穴

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海口七十二洞熔岩管洞穴。摄影 / 王江

/ 火山遗迹：

熔岩管洞穴

洞穴是地球上被探测最少的原始陆地环境之一，如地下水活动造成的溶蚀洞穴、构造活动引起的张裂或岩墙塌陷、与火山活动相关的熔岩管洞穴等。近年来，随着深空探测的发展，人类利用遥感影像，在地外天体（如月球、火星）表面发现了大量因塌陷而暴露的洞口，这些洞口之下存在潜在的巨大空间，特别是与火山活动相关的熔岩管洞穴，地下空间在一定深度内以水平方向延伸为主，可利用空间更大，为人类未来登陆地外天体提供天然庇护，也为行星科学研究提供了巨大潜力。



/ 地球熔岩管洞穴的

形成机制和分布

熔岩管洞穴是洞穴的一种特殊类型，与火山喷发相关，是熔岩流动-固结形成的中空管道。它是喷出的高温岩浆在地表流动过程中，粘度低的玄武质岩浆边流动边冷却，在熔岩流表面固结成一定厚度的外壳，形成绝热保护层，此时内部岩浆的降温速率极低，可以保持高温状态持续流动达数百至上千千米，直到最后岩浆源头停止供给岩浆，从而形成中空的管道。熔岩管在形成之初是一个近圆形的管道，随着熔岩不断补充与固结，底部不断被填充，逐渐形成顶部圆形-半圆形、底部平坦的管状构造。

地球是太阳系行星中火山活动最强的天体之一，熔岩管洞穴几乎在所有的玄武岩火山区均有分布，规模大小不一，较为著名的有夏威夷火山区（美国）、加那利群岛（西班牙）、冰岛、昆士兰北部火山区（澳大利亚）、西西里岛（意大利）、济州岛（韩国）、加拉帕哥斯群岛（厄瓜多尔）、富士山（日本），以及我国境内的镜泊湖火山区、海口火山区等。

/ 初露端倪：

月球熔岩管洞穴

20世纪60年代末，科学家利用月球遥感影像在其表面月海玄武岩区域发现大量蜿蜒形月溪，经过地貌学分析以及与地球上熔岩管的对比研究，提出猜想认为月溪就是塌陷的火山熔岩管，即便遭受陨石撞击、地震扰动等，熔岩管的大部分依然会被保存下来。进入70年代，科学家发现了一些特殊的天坑，呈孤立或链状整齐排列，认为它们可能是塌陷的地下空洞。2009年，日本发射的月球轨道器传回的影像发现了三个直径和深度均为数十米的洞穴，通过形貌学分析和解译，这些洞穴被认为是熔岩管局部塌陷后形成的天窗（skylight）。

自2010年起，基于美国月球轨道窄角相机高分辨率成像仪，科学家在月球表面发现了更多疑似熔岩管天窗的塌陷。印度的月船一号探测器对熔岩管的探测发现其顶部宽度可超过300米，美国圣杯（GRAIL）轨道器通过对月球浅部重力场进行测量，发现熔岩管的宽度理论上可达数千米。这一系列新的探测结果表明月表以下可能存在巨大的空间，促使人们对月球熔岩管探测的兴趣越来越大。



月球表面已知的熔岩管洞穴分布以及部分熔岩管天窗的形貌特征。其中黄色点为高地熔岩管天窗，白点标注的是月海区域熔岩管天窗，五角星标注的是一个疑似的熔岩管天窗。来源／Wagner等

/ 一探究竟

月球轨道环绕探测器和阿波罗计划探测数据显示，迄今为止，在月球表面发现了300多个洞穴，经过进一步核实确认，存在21个潜在的熔岩管洞穴，16个分布在月海区域，5个分布在高地区域，主要在蜿蜒曲折的月溪附近或与其相连区域。其中，10个最有可能的熔岩管洞穴分别位于死湖、中丰富海、静海、智海、西南丰富海、马里乌斯山、施吕特撞击坑、高地1、高地2和史密斯海/朗格撞击坑。

熔岩管是中空的地下管道，在天体本身的构造活动和外来天体撞击作用下，熔岩管的塌陷现象十分普遍，熔岩管塌陷后往往会形成天窗，暴露出其内部结构。熔岩管塌陷的原因包括内因和外因。内因主要取决于熔岩管顶部月壤和玄武岩的厚度和强度，在岩浆性质、挥发分含量等都相似的情况下，顶部熔岩厚度越大其支撑强度越大。外因主要是顶部受后期改造破坏的程度，包括构造活动、地震、撞击等。

目前，识别地外天体地下熔岩管的方法主要是依据其塌陷后形成的天窗，这些洞穴式天窗区别于普通撞击坑的显著特征是，普通小型撞击坑底部具有完整的碗型形态。而熔岩管天窗是小天体撞击击穿上覆岩石而露出地下中空的熔岩管，或其他地质活动导致顶部塌陷形成的洞穴，下部与熔岩管相连。因此，这些洞穴的底部是深陷的或不规则形态的，其深度与直径之比远大于普通撞击坑。另外，熔岩管的塌陷口一般具有向内倾斜的斜坡，斜坡外缘不会有隆起，而撞击坑的外缘会有明显的隆起和溅射物的堆积。除了天窗之外，有些熔岩管内塌陷物质堆积到了天窗口，形成了斜坡。



熔岩管隧道横截面和纵截面剖面图。来源／肖龙等

/ 月球基地，不二之选

熔岩管内部存在巨大的潜在可利用空间。熔岩管天窗形貌分析表明月球熔岩管深度在表面数十米之下，管道的宽度数十至数百米，延伸长度从数百米到数百千米不等，其顶部岩层承载能力满足工程建设需求，内部巨大的空间可以用来建设月球基地，宽度达到数千米的熔岩管甚至可以用来建设城池。

熔岩管洞穴内部温度环境相对恒定。月球表面温度变化较大，温差可达300℃，巨大的温差不利于在月表开展活动。通过对熔岩管洞穴光照区和阴影区温度测量，发现阴影区域温度稳定在-20℃~30℃之间，由于月面几乎真空，因而推测在熔岩管洞穴内部远离洞口相对封闭的阴影区域的温度变化要小得多。

熔岩管洞穴是天然的屏障。熔岩管顶部具有较厚的玄武岩和月壤层，可以提供一定的遮蔽作用，超过6米厚的月壤即降低宇宙射线强度至极小的剂量，顶层也可以抵挡陨石和微陨石的撞击，阻挡月尘和溅射物，进而减少对人和设备的伤害。

熔岩管内部可能富含水冰。找水是当前地外探测一项重要任务，关系着人类未来入驻地外天体的生存和发展。月球水的来源可能有三种：（1）岩浆活动从月球内部带出来的水；（2）太阳风中的氢与月表的含氧物质反应生成水；（3）彗星撞击月表带来的水。但是水在月表环境下不易保存，相比于月球极区的永久阴影区，熔岩管内部的环境更加优越，可能保存太阳风成因和彗星成因的水，而熔岩管形成时由岩浆带来的水也可能保存下来。

熔岩管内部的特殊环境具有重要的天体生物学意义，是寻找地外生命绝佳场所。地球表面洞穴内部环境相对稳定，形成了特有的洞穴生物圈。地外天体表面熔岩管洞穴可能存在水冰，加上内部温度和辐射环境相对稳定，为微生物生存提供了条件，然而目前没有足够证据说明月球熔岩管洞穴内存在生命，但这种环境为将来开展多种生物实验提供了场所。

熔岩管的物质组成可能揭示了月球岩浆活动的性质。目前，人类采集的月球样品来自表层几米深度范围内，样品经历了长期空间风化和多次混合。相比而言，熔岩管天窗内壁暴露了深层月壤和玄武岩的剖面，熔岩管内部保留了不同期次岩浆活动的新鲜样品，通过分析剖面不同层位的样品，可以了解月球岩浆活动的特征，对理解月球起源、形成过程和岩浆的演化具有重大意义。



熔岩管洞穴月球基地想象图。

作者简介 /

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王江，中国地质大学（武汉） 博士，硕士研究生导师，主要从事行星地质与比较行星学研究。

肖龙，中国地质大学（武汉）二级教授、博士研究生导师，学科领军人才，主要从事天体生物学、行星地质与比较行星学研究。

黄俊，中国地质大学（武汉） 教授、博士研究生导师，主要从事火山地质学、行星地质与比较行星学研究。

赵健楠，中国地质大学（武汉）副研究员、硕士研究生导师，主要从事行星地表过程和地质特征、火山水活动和宜居性研究。

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编辑 / 缓缓  怀尘
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