جيولوجيا القمر

تقع في أعلى طبقات القمر وحدة كوبرنيكوس، التي تتكون من فوهات ذات نظام شعاعي. ^{[ 26 ]} أسفلها تقع وحدة إراتوستينيان، التي تتميز بفوهات ذات شكل فوهات صدمية واضح، ولكنها تفتقر إلى النظام الشعاعي لوحدة كوبرنيكوس. وتتواجد هاتان الوحدتان في بقع أصغر على سطح القمر. وإلى أسفل الطبقات تقع وحدات ماري (المعروفة سابقًا باسم وحدة بروسيلاريان)، ووحدة إمبريان المرتبطة بالمقذوفات والتكتونيات من حوض إمبريوم. أما أسفل طبقات القمر فتقع وحدة ما قبل نكتاريان، التي تتكون من سهول فوهات قديمة. ^{[ 27 ]}

أبرز ما يُميز القمر هو التباين بين مناطقه المضيئة والمظلمة. تُعرف الأسطح الأكثر إضاءة بالمرتفعات القمرية، والتي تُسمى " تيرا" ( مفردها " تيرا" ، من الكلمة اللاتينية التي تعني الأرض ) ، بينما تُسمى السهول الأكثر ظلمة "ماريا" (مفردها "ماري " ، من الكلمة اللاتينية التي تعني البحر )، نسبةً إلى يوهانس كيبلر الذي أدخل هذه التسميات في القرن السابع عشر. تتكون المرتفعات من صخور الأنورثوزيت ، بينما تتكون السهول من صخور البازلت . غالبًا ما تتطابق السهول مع "الأراضي المنخفضة"، ولكن الأراضي المنخفضة (مثل تلك الموجودة داخل حوض القطب الجنوبي-أيتكن ) لا تكون مغطاة دائمًا بالسهول. تُعد المرتفعات أقدم من السهول المرئية، ولذلك فهي أكثر عرضةً للفوهات.

تتجلى أبرز نواتج العمليات البركانية على سطح القمر للمراقبين من الأرض في شكل سهول القمر (الماريا) . وهي عبارة عن تدفقات ضخمة من الحمم البازلتية تُشكل أسطحًا منخفضة البياض تغطي ما يقارب ثلث الجانب القريب من القمر. أما الجانب البعيد، فلم يتأثر بالنشاط البركاني إلا بنسبة ضئيلة. وحتى قبل أن تؤكد مهمات أبولو ذلك، كان معظم العلماء يعتقدون أن سهول القمر عبارة عن سهول مليئة بالحمم، نظرًا لأنماط تدفق الحمم وانهياراتها التي تُعزى إلى أنابيب الحمم .

تم تحديد أعمار بازلت البحار القمرية باستخدام كلٍ من التأريخ الإشعاعي المباشر وتقنية عدّ الفوهات . يبلغ عمر أقدم البازلتات المُسجلة إشعاعيًا حوالي 4.2 مليار سنة، بينما حُدد عمر معظم حمم البحار القمرية الأحدث من خلال عدّ الفوهات بحوالي مليار سنة. وبفضل دقة الصور الحديثة، تم اكتشاف حوالي 70 منطقة صغيرة تُسمى بقع البحار القمرية غير المنتظمة (يبلغ قطر كل منطقة بضع مئات من الأمتار أو بضعة كيلومترات فقط) في البحار القمرية، والتي تشير نتائج عدّ الفوهات إلى أنها كانت مواقع نشاط بركاني في الماضي الجيولوجي القريب جدًا (أقل من 50  مليون سنة). ^{[ 6 ]} من حيث الحجم، تشكلت معظم البحار القمرية بين 3 و3.5 مليار سنة مضت. انفجرت أحدث الحمم البركانية داخل محيط العواصف ، بينما يبدو أن بعض أقدمها يقع على الجانب البعيد. ومن الواضح أن البحار القمرية أحدث عمرًا من المرتفعات المحيطة بها نظرًا لانخفاض كثافة فوهات الاصطدام فيها.

انفجرت مساحة كبيرة من البحار القمرية داخل أحواض الاصطدام المنخفضة على الجانب القريب من القمر، أو تدفقت إليها. ومع ذلك، من غير المرجح وجود علاقة سببية بين حدث الاصطدام والنشاط البركاني في البحار القمرية، لأن أحواض الاصطدام أقدم بكثير (بحوالي 500 مليون سنة) من رواسب البحار القمرية. علاوة على ذلك، فإن محيط العواصف ، وهو أكبر امتداد للنشاط البركاني في البحار القمرية على سطح القمر، لا يتطابق مع أي حوض اصطدام معروف. ويُعتقد عمومًا أن سبب ثوران البحار القمرية على الجانب القريب فقط هو أن قشرة هذا الجانب أرق من قشرة الجانب البعيد. ورغم أن الاختلافات في سمك القشرة قد تؤثر على كمية الصهارة التي تصل في النهاية إلى السطح، إلا أن هذه الفرضية لا تفسر سبب امتلاء حوض القطب الجنوبي-أيتكن على الجانب البعيد ، الذي قشرته أرق من قشرة محيط العواصف، بشكل محدود فقط بالمنتجات البركانية.

نوع آخر من الرواسب المرتبطة بالبحار القمرية، وإن كانت تغطي أيضًا المناطق المرتفعة، هي رواسب "الوشاح الداكن". لا يمكن رؤية هذه الرواسب بالعين المجردة، ولكن يمكن رصدها في الصور الملتقطة بواسطة التلسكوبات أو المركبات الفضائية المدارية. قبل مهمات أبولو، توقع العلماء أنها رواسب ناتجة عن ثورات بركانية فتاتية . ويبدو أن بعض هذه الرواسب مرتبط بمخاريط رماد داكنة مستطيلة ، مما يعزز فكرة الفتات البركاني. وقد تأكد وجود هذه الفتات البركانية الفتاتية لاحقًا باكتشاف كريات زجاجية مشابهة لتلك الموجودة في هذه الفتات على الأرض.

تحتوي العديد من صخور البازلت القمرية على ثقوب صغيرة تُسمى الحويصلات ، والتي تشكلت نتيجة انفصال فقاعات الغاز عن الصهارة في ظروف الفراغ الموجودة على السطح. ولا يُعرف على وجه اليقين أي الغازات تسربت من هذه الصخور، ولكن أول أكسيد الكربون يُعد أحد الاحتمالات.

تتنوع ألوان عينات الزجاج البركاني الفتاتي بين الأخضر والأصفر والأحمر. ويشير اختلاف اللون إلى تركيز التيتانيوم في الصخر، حيث تحتوي الجسيمات الخضراء على أقل تركيز (حوالي 1%)، بينما تحتوي الجسيمات الحمراء على أعلى تركيز (يصل إلى 14%، وهو أعلى بكثير من تركيزه في البازلت ذي أعلى تركيز).

لم يُقبل على نطاق واسع أصل فوهات القمر باعتبارها ناتجة عن اصطدامات نيزكية إلا في ستينيات القرن العشرين. وقد أتاح هذا الإدراك إمكانية تحديد تاريخ اصطدامات القمر تدريجيًا باستخدام مبدأ التراكب الجيولوجي . أي أنه إذا غطت فوهة (أو مقذوفاتها) فوهة أخرى، فلا بد أن تكون الأحدث. وكان مقدار التعرية التي تعرضت لها الفوهة دليلاً آخر على عمرها، وإن كان هذا الأمر أكثر ذاتية. وباعتماد هذا النهج في أواخر خمسينيات القرن العشرين، نقل جين شومايكر الدراسة المنهجية للقمر من علماء الفلك إلى علماء الجيولوجيا القمرية. ^{[ 28 ]}

تُعدّ الفوهات الناتجة عن الاصطدام أبرز العمليات الجيولوجية على سطح القمر. تتشكل هذه الفوهات عندما يصطدم جسم صلب، مثل كويكب أو مذنب ، بسطح القمر بسرعة عالية (يبلغ متوسط ​​سرعة الاصطدام على سطح القمر حوالي 17  كيلومترًا في الثانية). تُولّد الطاقة الحركية للاصطدام موجة صدمة ضغطية تنتشر بعيدًا عن نقطة الاصطدام. يلي ذلك موجة تخلخل ، وهي المسؤولة عن دفع معظم المقذوفات خارج الفوهة. وأخيرًا، يحدث ارتداد هيدروديناميكي لقاع الفوهة، مما قد يُشكّل قمة مركزية.

تظهر هذه الفوهات بأقطار متدرجة على سطح القمر، تتراوح أحجامها من حفر صغيرة إلى حوض القطب الجنوبي-أيتكن الهائل الذي يبلغ قطره حوالي 2500  كيلومتر وعمقه 13  كيلومترًا. وبشكل عام، يتبع تاريخ تشكل الفوهات الناتجة عن الاصطدامات على سطح القمر اتجاهًا تنازليًا في حجم الفوهات مع مرور الوقت. وعلى وجه الخصوص، تشكلت أكبر أحواض الاصطدامات خلال المراحل المبكرة، ثم غطتها فوهات أصغر حجمًا تباعًا. ويتبع توزيع تردد حجم الفوهات على سطح معين (أي عدد الفوهات كدالة للقطر) قانونًا أُسّيًا تقريبًا ، حيث يزداد عدد الفوهات مع تناقص حجمها. ويمكن استخدام الموقع الرأسي لهذا المنحنى لتقدير عمر السطح.

تتميز أحدث آثار الاصطدامات بخصائص واضحة المعالم، بما في ذلك حافة حادة. تميل الفوهات الصغيرة إلى اتخاذ شكل وعاء، بينما قد تحتوي الفوهات الأكبر على قمة مركزية ذات قاع مسطح. تُظهر الفوهات الأكبر عمومًا تضاريس انزلاقية على طول الجدران الداخلية، والتي قد تُشكل مصاطب وحوافًا. حتى أن أكبر أحواض الاصطدام، وهي الأحواض متعددة الحلقات، قد تحتوي على حلقات ثانوية متحدة المركز من مواد مرتفعة.

تُؤدي عملية الاصطدام إلى استخراج مواد ذات بياض عالٍ ، مما يُضفي على الفوهة والمقذوفات ونظام الأشعة مظهرًا ساطعًا في البداية. ومع مرور الوقت، تُقلل عملية التجوية الفضائية تدريجيًا من بياض هذه المواد، فتتلاشى الأشعة. وتتعرض الفوهة ومقذوفاتها تدريجيًا لتآكل ناتج عن اصطدامات النيازك الدقيقة والاصطدامات الأصغر. تُؤدي هذه العملية إلى تليين وتدوير معالم الفوهة. كما يُمكن أن تُغطى الفوهة بمقذوفات من اصطدامات أخرى، مما قد يُؤدي إلى غمر معالمها، بل وحتى دفن قمتها المركزية.

قد تشمل المقذوفات الناتجة عن الاصطدامات الكبيرة كتلًا ضخمة من المواد التي تصطدم مجددًا بالسطح لتشكل فوهات ثانوية. تتشكل هذه الفوهات أحيانًا في أنماط شعاعية واضحة، وعادةً ما تكون أقل عمقًا من الفوهات الأولية ذات الحجم نفسه. في بعض الحالات، قد يصطدم خط كامل من هذه الكتل ليشكل واديًا. وتختلف هذه الفوهات عن سلاسل الفوهات، وهي عبارة عن سلاسل خطية من الفوهات تتشكل عندما يتفتت الجسم المصطدم قبل الاصطدام.

بشكل عام، تتخذ الفوهات القمرية شكلاً دائرياً تقريباً. وقد أظهرت التجارب المخبرية في مركز أبحاث أميس التابع لناسا أن حتى الاصطدامات ذات الزوايا المنخفضة جداً تميل إلى إنتاج فوهات دائرية، وأن الفوهات الإهليلجية تبدأ بالتشكل عند زوايا اصطدام أقل من خمس درجات. مع ذلك، يمكن أن ينتج عن الاصطدام بزاوية منخفضة قمة مركزية منحرفة عن منتصف الفوهة. إضافةً إلى ذلك، تُظهر المقذوفات الناتجة عن الاصطدامات المائلة أنماطاً مميزة عند زوايا اصطدام مختلفة: عدم تناظر يبدأ من حوالي 60 درجة، و"منطقة تجنب" على شكل إسفين خالية من المقذوفات في اتجاه القذيفة تبدأ من حوالي 45 درجة. ^{[ 29 ]}

تتشكل الفوهات ذات الهالة الداكنة عندما يقذف نيزك مواد ذات بياض منخفض من تحت السطح، ثم يرسب هذه المقذوفات الداكنة حول الفوهة الرئيسية. يحدث هذا عندما تُغطى منطقة من المواد البازلتية الداكنة ، مثل تلك الموجودة في البحار القمرية ، بمقذوفات أفتح ناتجة عن اصطدامات أبعد في المرتفعات. يحجب هذا الغطاء المواد الداكنة الموجودة أسفلها، والتي تُقذف لاحقًا بواسطة فوهات أخرى.

أدت أكبر الاصطدامات إلى تكوين طبقات من الصخور المنصهرة غطت أجزاءً من السطح، وقد يصل سمكها إلى كيلومتر واحد. ويمكن رؤية أمثلة على هذا الانصهار الناتج عن الاصطدام في الجزء الشمالي الشرقي من حوض ماري أورينتال .

تعرض سطح القمر على مدى مليارات السنين لاصطدامات متكررة مع مواد نيزكية ومذنبية، صغيرة وكبيرة . وبمرور الزمن، أدت هذه الاصطدامات إلى تفتيت مواد السطح وتشكيل طبقة دقيقة الحبيبات تُعرف باسم " الريغوليث " . يتراوح سمك الريغوليث القمري بين مترين (6.6 قدم) تحت البحار القمرية الحديثة، ويصل إلى 20 مترًا (66 قدمًا) تحت أقدم أسطح المرتفعات القمرية. يتكون الريغوليث في الغالب من مواد موجودة في المنطقة، ولكنه يحتوي أيضًا على آثار لمواد قذفتها فوهات اصطدام بعيدة. يُستخدم مصطلح "الريغوليث الضخم" غالبًا لوصف الصخور الأساسية المتصدعة بشدة والواقعة مباشرة تحت طبقة الريغوليث القريبة من السطح.  

يحتوي الغطاء الصخري القمري على صخور، وشظايا معدنية من الصخور الأساسية الأصلية، وجزيئات زجاجية تشكلت أثناء الاصطدامات. في معظم الغطاء الصخري القمري، يتكون نصف الجزيئات من شظايا معدنية اندمجت مع الجزيئات الزجاجية؛ وتُسمى هذه الأجسام بالمتكتلات. يختلف التركيب الكيميائي للغطاء الصخري تبعًا لموقعه؛ فالغطاء الصخري في المرتفعات غني بالألومنيوم والسيليكا ، تمامًا مثل الصخور في تلك المناطق. ^{[ 30 ]} أما الغطاء الصخري في البحار القمرية فهو غني بالحديد والمغنيسيوم وفقير بالسيليكا، كما هو الحال في الصخور البازلتية التي يتكون منها.

يُعدّ تربة القمر بالغة الأهمية لأنها تحمل معلومات قيّمة عن تاريخ الشمس . تصطدم الذرات المكونة للرياح الشمسية - والتي تتألف في معظمها من الهيدروجين والهيليوم والنيون والكربون والنيتروجين - بسطح القمر وتتغلغل في حبيباته المعدنية. ومن خلال تحليل تركيب تربة القمر، ولا سيما تركيبها النظائري ، يُمكن تحديد ما إذا كان نشاط الشمس قد تغيّر مع مرور الزمن. قد تكون غازات الرياح الشمسية مفيدة لقواعد قمرية مستقبلية، لأن الأكسجين والهيدروجين (الماء) والكربون والنيتروجين ليست ضرورية لاستمرار الحياة فحسب ، بل إنها أيضًا ذات فائدة كبيرة في إنتاج الوقود . كما يُمكن استخدام تركيب تربة القمر لاستنتاج مصدرها الأصلي.

تُشكّل أنابيب الحمم البركانية القمرية موقعًا ذا أهمية محتملة لبناء قاعدة قمرية مستقبلية، يُمكن استخدامها للاستكشاف والتطوير المحليين، أو كمركز بشري لخدمة الاستكشاف خارج القمر. وقد طُرحت إمكانية وجود كهوف حمم بركانية قمرية ونوقشت في الأدبيات والرسائل العلمية منذ زمن طويل. ^{[ 31 ]} يُمكن لأي أنبوب حمم بركانية سليم على سطح القمر أن يُشكّل مأوىً من البيئة القاسية لسطح القمر، بما فيها من اصطدامات متكررة للنيازك، وإشعاع فوق بنفسجي عالي الطاقة، وجسيمات نشطة، وتقلبات شديدة في درجات الحرارة اليومية. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} بعد إطلاق مركبة استطلاع القمر المدارية ، تم تصوير العديد من أنابيب الحمم البركانية القمرية. ^{[ 35 ]} توجد هذه الحفر القمرية في عدة مواقع عبر القمر، بما في ذلك تلال ماريوس ، وبحر إنجيني، وبحر ترانكويليتاتيس .

أعاد برنامج أبولو 380.05 كيلوغرامًا (837.87 رطلًا) من مواد سطح القمر ، ^{[ 38 ]} ويُخزَّن معظمها في مختبر استقبال المواد القمرية في هيوستن، تكساس ، بينما أعاد برنامج لونا السوفيتي غير المأهول 326 غرامًا (11.5 أونصة) من المواد القمرية. وقد أثبتت هذه الصخور أهميتها البالغة في فهم التطور الجيولوجي للقمر. تتكون الصخور القمرية في معظمها من نفس المعادن الشائعة المكونة للصخور الموجودة على الأرض، مثل الأوليفين والبيروكسين والبلاجيوكلاز الفلسباري ( الأنورثيت ). يوجد البلاجيوكلاز الفلسباري في الغالب في القشرة القمرية، بينما يُشاهد البيروكسين والأوليفين عادةً في وشاح القمر. ^{[ 39 ]} معدن الإلمنيت وفير للغاية في بعض البازلتات البحرية، وتم اكتشاف معدن جديد يسمى أرمالكوليت (سمي على اسم أرم سترونج، وأل درين، وكول لينز، الأعضاء الثلاثة في طاقم أبولو 11 ) لأول مرة في العينات القمرية.  

تتكون البحار القمرية في الغالب من البازلت ، بينما تفتقر المناطق المرتفعة إلى الحديد وتتكون أساسًا من الأنورثوزيت ، وهو صخر يتكون في معظمه من فلسبار بلاجيوكلاز غني بالكالسيوم . ومن المكونات المهمة الأخرى للقشرة الأرضية صخور مجموعة المغنيسيوم النارية ، مثل التروكتوليت والنوريت وبازلت كرييب. ويُعتقد أن هذه الصخور مرتبطة بتكوين صخور كرييب .

تظهر الصخور المركبة على سطح القمر غالبًا على شكل بريشة . ومن بين هذه الأنواع، تُصنف إلى فئات فرعية تُسمى بريشة فتاتية، وبريشة حبيبية ، وبريشة ناتجة عن اصطدام نيزكي، وذلك تبعًا لطريقة تكوينها. تتميز بريشة الاصطدام النيزكية المافية ، التي تُعرف بتركيبها منخفض البوتاسيوم (فرا ماورو) ، بنسبة أعلى من الحديد والمغنيسيوم مقارنةً بصخور الأنورثوزيت النموذجية في القشرة العلوية، فضلًا عن وفرة أكبر من عنصر KREEP.

تتميز الصخور البازلتية، مقارنةً بصخور المرتفعات القمرية، باحتوائها على وفرة أكبر من الأوليفين والبيروكسين ، ونسبة أقل من البلاجيوكلاز . كما أنها أغنى بالحديد من البازلت الأرضي، وأقل لزوجة. ويحتوي بعضها على وفرة عالية من أكسيد الحديد والتيتانيوم المعروف باسم الإلمنيت . ونظرًا لاحتواء العينات الأولى من الصخور على نسبة عالية من الإلمنيت ومعادن أخرى ذات صلة، فقد أُطلق عليها اسم "بازلت عالي التيتانيوم". عادت مهمة أبولو 12 إلى الأرض حاملةً معها بازلتًا بتركيزات تيتانيوم أقل، فأُطلق عليها اسم "بازلت منخفض التيتانيوم". أما المهمات اللاحقة، بما فيها المجسات الروبوتية السوفيتية ، فقد عادت ببازلت بتركيزات أقل، تُعرف الآن باسم "بازلت منخفض التيتانيوم جدًا". أعاد مسبار كليمنتين الفضائي بيانات تُظهر أن صخور البازلت في البحار القمرية تحتوي على تدرج في تركيزات التيتانيوم، حيث تكون الصخور ذات التركيز الأعلى هي الأقل وفرة.

بالمقارنة مع الأرض، يمتلك القمر مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا ضعيفًا. ومن الاختلافات الهامة الأخرى أن القمر لا يمتلك حاليًا مجالًا مغناطيسيًا ثنائي القطب (كما هو الحال عند توليده بواسطة دينامو أرضي في نواته)، وأن التمغنط الموجود عليه ذو أصل قشري في معظمه. تفترض إحدى الفرضيات أن التمغنط القشري اكتُسب في المراحل المبكرة من تاريخ القمر عندما كان الدينامو الأرضي لا يزال يعمل. ومع ذلك، يُعد صغر حجم نواة القمر عائقًا محتملاً أمام هذه الفرضية. بدلاً من ذلك، من الممكن أن تتولد مجالات مغناطيسية عابرة أثناء عمليات الاصطدام على أجرام سماوية خالية من الغلاف الجوي مثل القمر. وتأكيدًا لذلك، لوحظ أن أكبر التمغنط القشري يقع بالقرب من نقاط التقابل لأكبر أحواض الاصطدام. على الرغم من أن القمر لا يمتلك مجالًا مغناطيسيًا ثنائي القطب مثل الأرض، إلا أن بعض الصخور العائدة إليه تحمل تمغنطًا قويًا. علاوة على ذلك، تُظهر القياسات من المدار أن بعض أجزاء سطح القمر مرتبطة بمجالات مغناطيسية قوية.