水星体积小，速度快，接近太阳，使岩态世界充满挑战。只有一个探测器绕水星运行，收集了足够的数据，告诉科学家水星表面的化学和景观。然而了解表面之下的东西需要谨慎的预估。在2015年探测任务结束后，行星科学家们估计水星的地壳厚度大约为22英里，亚利桑那大学的一位科学家不同意这种观点。利用最新的数学公式，月球和行星实验室的工作人员迈克尔·索利(Michael Sori)估计，水星的地壳厚度只有16英里，比铝的密度大。他的研究“一种薄而致密的水星外壳”将在5月1日发表在地球和行星科学快报上发表，目前在网上可以找到。
这幅水星的图像是用红外线、红色和紫色的滤光片创造出来的，它捕捉到人眼可见和不可见的波长，这里所显示的颜色与人眼所看到的颜色略有不同。图片：NASA/Johns Hopkins University APL/Carnegie Institute of Washington
Sori利用水星表面、空间环境和地球化学(MESSENGER)航天器收集的数据确定了水星地壳密度。他使用的公式是由月球和行星实验室的教授松山，以及加州大学伯克利分校的科学家道格拉斯·海明威开发的。Sori的估计支持了水星地壳主要通过火山活动形成的理论。了解地壳是如何形成的，可以让科学家了解整个结构奇特的行星的形成过程。在类地行星中，水星核心相对于它的大小来说是最大的。据信，水星的核心占据了水星整个体积的60%。相比之下，地球的核心占据了约15%的体积。为什么水星的核心如此之大？
也许它更接近一个正常的行星，可能有很多地壳和地幔被巨大的撞击所破坏，另一个想法是，当离太阳这么近的时候，太阳风吹走了很多岩石，很早就得到了一个大的核心尺寸，但这并不是每个人都同意的答案。Sori的研究可能会帮助科学家找到正确的方向，它已经解决了水星地壳中岩石的问题。当行星和地球的月球形成时，它们的外壳是由它们的曼特勒(mantles)产生的，这是一颗行星的核心和地壳之间的一层，在数百万年的时间里，它会渗出和流动。行星地壳的体积代表着被变成岩石地幔的百分比。
美国地质勘探局于2016年公布了水星的地形图，海拔最高的地方是红色，最低的海拔是深蓝色。
在Sori的研究之前，对水星地壳厚度的估计使科学家们相信地球上百分之11的原始地幔已经变成了地壳中的岩石。对于地球上最接近水星大小的天体来说，这个数字更低，接近7%。以非常不同的方式形成了它们的外壳，所以它们在地壳中没有完全相同比例的岩石，这并不令人担忧。当密度较低的矿物漂浮到由液态岩石构成的海洋表面时，月球的外壳就形成了。在岩浆海洋的顶部，月球的浮力矿物冷却并硬化成“浮选地壳”，火山爆发的过程覆盖了水星表面，形成了“岩浆外壳”。解释为什么水星创造了比月球更多的岩石，这是一个没有人解决的科学之谜。现在，这个谜题可以结束了，因为Sori的研究将水星地壳中岩石的比例定为7%，水星在制造岩石上不比月亮好。
Sori通过估算地壳的深度和密度来解决这个谜题，这意味着他必须找到地壳均衡支持的地壳。行星体最自然的形状是一个平滑的球体，表面上所有的点都与行星的核心距离相等。Isostasy描述了山脉、山谷和山丘是如何被支撑的，并被保持在平坦的平原上。有两种主要类型：普拉特和艾里。两者都致力于平衡地球上同样大小的大片。如果一块的质量比它旁边的质量大得多，那么地球的地幔就会渗出，把地壳移到上面，直到每一片的质量都相等。普拉特地壳均衡说行星的地壳密度不同。一颗包含山的行星，其质量与包含平坦土地薄片的质量相同，因为使这座山的地壳密度小于平坦土地的地壳。在地球的所有点上，地壳的底部均匀地漂浮在地幔上。
直到Sori完成他的研究，没有科学家解释为什么普拉特·地壳均衡或不支持水星的景观。为了测试它，Sori需要将行星的密度与它的地形联系起来。科学家们已经用信使号的数据构造了一个水星地形图，但是密度图并不存在。因此，Sori利用信使号的数据，对水星表面的元素进行了分析。知道什么矿物通常形成岩石，这些矿物包含什么元素。可以明智地将所有的化学成分分解成一份矿物清单，用来确定地表矿物的位置和丰度的过程。知道每一种矿物的密度,把它们加起来，得到密度图然后Sori将他的密度图和地形图进行比较。如果Pratt地壳均衡能解释水星的景观，那么Sori就会发现在火山口和山区的低密度矿物中会发现高密度的矿物质
虽然水星在人类眼中看起来是单调的，但是不同的矿物在这张来自美国宇航局信使号宇宙飞船的图片中呈现出彩虹般的颜色。图片：NASA/Johns Hopkins University APL/Carnegie Institution of Washington
然而并没有发现这种关系,在水星上，高和低密度的矿物在山脉和环形山中都能找到。由于Pratt地壳均衡被证实，Sori被认为是Airy均衡，它被用来估计水星的地壳厚度,艾里地壳均衡说，行星的地壳深度随地形的不同而变化。如果看到表面上有一座山，它就可以被它下面的根支撑着，把它比作漂浮在水面上的一座冰山。冰山的尖端是由在水下突出的冰块所支撑的。冰山的质量与排水量相同。同样地，山和它的根将包含与被取代的地幔物质相同的质量。在火山口，地壳很薄，地幔更靠近地表。一个包含一座山的行星的楔形物与一个带有陨石坑的楔子具有同样的质量。这些参数在二维空间中起作用，但当考虑到球面几何时，公式并没有完全解出来。不过，松山和海明威最近开发的公式，确实适用于像行星这样的球形天体。
该公式不但没有平衡地壳和地幔的质量，还平衡了地壳在地幔上施加的压力，为地壳厚度提供了更准确的估计。Sori使用了他对地壳密度的估计，以及海明威和松山的公式来找到地壳的厚度。Sori确信他对北半球水星的地壳厚度的估计不会被证明是错误的，即使收集了有关水星的新数据,他不相信水星的地壳密度。信使号在北半球收集的数据要比南方多得多，Sori预测，当收集到整个地球的密度数据时，地球表面的平均密度将会发生变化。他已经看到未来需要进行后续研究。下一个水星任务将在2025年到达地球。与此同时，科学家们将继续使用信使数据和数学公式来学习他们所能了解关于第一块来自外星岩石的一切信息。
博科园-科学科普｜参考期刊：地球和行星科学快报｜来自：亚利桑那大学
