月球重力场研究及其应用进展

月球重力场研究及相关应用是月球科学探测中的重要内容之一。本文回顾了月球重力测量及月球重力场模型、月球地形模型等主要研究进展,总结了月球重力场（包括地形）在月球内部结构研究,特别是在月壳结构以及月球质量瘤等方面取得的研究成果。此外,月球重力场还应用于月幔／月核研究、月球均衡状态、月球物质成分及月球演化历史的研究中。随着我国嫦娥探月计划的实施,利用其探测数据建立自主重力场模型及地形模型成为我国探月研究的基础工作之一。在此基础上可开展月壳结构、月球均衡状态、月球质量瘤及月壳成分等研究,同时借鉴地球科学中相关学术思想和方法技术,从而促进对月球及类地行星等结构的研究。     

月球质量瘤成因及研究方法综述

月球重力探测一直是国际深空探测的重要目标之一。计算月球重力发现,月球表面存在重力异常区域——质量瘤。通过对质量瘤的特征、成因以及研究方法进行概述总结,认为质量瘤是月幔隆升、高密度物质聚集所致,后期的玄武岩充填可能会增加重力异常,但作用微弱。尽管可以利用月震波分析和月球内部三维密度分布反演新技术,但是基于重力数据和地形资料的研究方法更能高效地对月球的重力场及其特征进行详细研究,高精度的重力场模型可以揭示月球深部构造及层圈形态,进而探索早期月球起源、内部物质演化与运动过程等。该研究方法可为月球和其他类地行星的重力研究提供参考。     

GEODYN-Ⅱ软件移植和40阶次月球重力场的解算

将GEODYN-Ⅱ软件从工作站移植到了PC机平台上,其计算效率明显高于工作站平台上5~10倍。利用移植版本的 GEODYN-Ⅱ软件和SELENE卫星轨道数据求解了40阶次月球重力场模型,以及月球自由空气重力异常场和月表重力异常 场。其自由空气重力异常场与SELENE小组在SCIENCE上的结果是一致的。同时与LP165Q对比,在月球背面其解算的40 阶次月球重力场的精度比LP165Q模型要高,但是相对于月球正面仍没有LP165P的精度高,还有待进一步改进。     

Characteristics of the Gravity Field and Faults in Tingri-Muztagata Area, Xizang (Tibet) Plateau

为研究青藏高原的地下地质结构和断裂,陕西省地质调查院于2003年～2006年在定日—木孜塔格峰区进行了1∶100万区域重力调查.作者等对获得的重力资料进行了处理和分析,结合地质及其他地球物理资料,将该区布格重力场分成七个区域,描述了其主要特征并分析了其地质意义.进行了定日—木孜塔格峰剖面的重力曲线拟合计算及地质解释,获得了该区地壳结构的定量模型.识别出30条断裂,对它们进行了分类,对其中的重要断裂进行了详细解释.结果表明:重力场分区特征与地质构造分区特征对应得较好;高原边缘及内部各块体间重要的边界断裂都在重力场上有明显的显示;断裂按走向分为近东西向、北东向、近南北向等3组,其中近东西向断裂为主干断裂.     

月球引力场和磁场探测新进展

简要地回顾了前苏联、美国探测月球引力场和磁场的历史,介绍了各国的探月计划;较详细地介绍和分析了美国克莱门汀(Clementine,Cl）和月球探测者(Lunar Prospector,LP)两艘飞船探测月球引力场和磁场的最新成果：Konopliv A S等根据月球探测者数据绘制的最新月球重力图(LP100j,月球正面n=90,背面n=60),Halekas J S等根据月球探测者电子反射测量数据绘制的第一张全月球磁场图,Zuber M T等根据克莱门汀数据制作的月球(自由空间和布格)重力异常图和月壳厚度图;提出了开展有关研究工作的几点建议。     

卫星重力与地球重力场的文献计量分析

卫星重力与地球重力场研究是国际大地测量学的重要研究领域,不仅带动了大地测量学本身的发展,也在其他相关研究领域取得了重要的科学应用.以2000年1月至2020年9月的20年Web of Science核心合集数据库中关于该领域的科学论文为研究对象,使用文献计量的方法,应用CiteSpace软件对当前研究现状、近年来发展脉络以及研究热点进行分析.结果 表明,关于卫星重力和地球重力场的文献数量总体上逐年上升,2016年以来维持较高的水平,其中美国、德国以及中国的发文量位居前三位;发文量排名前三的研究机构分别为中国科学院、加州理工学院和美国国家航空航天局;我国在卫星重力及地球重力场领域的研究力量相对集中,中国科学院、武汉大学以及中国科学院大学发文数占中国总数的75.36％;利用GRACE数据和球谐函数构建高精度地球重力场模型,反演局部质量变化是当前国际研究热点.得益于卫星重力观测数据,全球重力场模型得到了实质性改进.     

月球表面多种金属元素的分布特征初探

美国的"克莱门汀"(Clementine)和"月球探测者"(Lunar Prospector)号月球探测器,分别于1994和1998年完成了对月球形貌、水冰以及月球重力和磁场等物理参数的高精度、高分辨率探测。月球探测者号还利用伽马射线仪探测了月表层中铁、钛、铀、钍和钾等元素含量分布,这为进一步研究月球的空间与表面环境,月球的地形、地貌、地层与地质构造,月表土壤与岩石的分布、成分与成因,月球物理场特征,月球的内部结构、演化与成因提供了大量的科学数据和证据。根据"克莱门汀"和"月球探测者"号测得的数据,对月球表面金属钛、铁、镁、铀、钍、钾的分布进行分析,初步研究了这些金属元素分布与月球地貌的关系,计算各金属元素之间空间分布的相关系数,分析蕴藏这些金属资源地区的岩性及各种元素可能的来源。由此推测30亿年前月球内部逐渐固化,大量小行星对月表岩石频繁的撞击导致金属元素分布不均衡,使金属元素在月球高原地带普遍含量低于月海,同时也形成了现在我们看到的遍布月表的环形山。     

青藏高原定日—木孜塔格峰地区重力场特征与断裂构造

为研究青藏高原的地下地质结构和断裂,陕西省地质调查院于2003年～2006年在定日—木孜塔格峰区进行了1∶100万区域重力调查。作者等对获得的重力资料进行了处理和分析,结合地质及其他地球物理资料,将该区布格重力场分成七个区域,描述了其主要特征并分析了其地质意义。进行了定日—木孜塔格峰剖面的重力曲线拟合计算及地质解释,获得了该区地壳结构的定量模型。识别出30条断裂,对它们进行了分类,对其中的重要断裂进行了详细解释。结果表明:重力场分区特征与地质构造分区特征对应得较好;高原边缘及内部各块体间重要的边界断裂都在重力场上有明显的显示;断裂按走向分为近东西向、北东向、近南北向等3组,其中近东西向断裂为主干断裂。     

中国大陆深层区域构造格架——系列解释之重力场格架

截取全球卫星重力图、重力场水平梯度图、卫星测高数据反演海洋重力异常图、岩石圈重力场和地幔重力异常, 获得中国大陆及其邻区岩石圈地球物理场特征, 揭示地球内部密度结构。简要探讨了中国大陆深层区域构造格架——系列解释之重力场格架。     

重力场定义的澄清

《朗曼现代英文词典》(LongmanModernEnglishDictionary)、《牛津高阶英汉双解词典》(OxfordAdvancedLearner’sEnglish ChineseDictionary)、《韦氏词典》(Merriam Webster’sNewCollegiateDictionary)、作为地球物理专业词汇定义源的《勘探地球物理百科词典》(EncyclopedicDictionaryofExplorationGeo physics)以及中国的一些重力教科书、专著及词典 ,把重力场定义为重力或重力作用存在的空间 ,重力效应可以测量的空间 ,即 :力或重力存在的空间。这个定义不同于国外英文地球物理教科书、专著及中、英、俄文场论教科书对重力场的定义 :空间中的重力。定义重力场为重力存在的空间 ,混淆了“场”本身及“场域”的概念 ,并不是一个标准的物理或地球物理定义 ,是一种误导。物理场是空间中存在的一种物理作用或效应 ,分布于引起它的场源体周围。两个物体之间存在着的相互作用力 ,通过每个物体引起的引力场给予另一个物体。重力场可以定义如下 :地球内部及其附近空间一点处存在的重力作用 ,或单位质量受到的重力。重力场是一种力或力场 ,存在于地球表面及其附近的空间。重力场不是空间 ,重力场的测量应当是在重力场存在的空间或场域中 ,而不是在重力场中进行。     

Review on physical models of lunar brightness temperature

Brightness temperature is a main index to reflect the energy of microwave radiation of an object. Using lunar brightness temperature data, physical properties of lunar regolith, such as thickness, heat flow and dielectric permittivity, could be interpreted. There are two methods to study brightness temperature distribution of the moon: the first is used to measure lunar brightness temperature by radio observation or spaceborne microwave radiometers, and the second is used to simulate calculation by the physical model. On the basis of the measurements of lunar brightness temperature in the history, this study analyzed the main physical model of lunar brightness temperature, also including its theory and influence factors. The authors concluded that surface and subsurface temperatures of the moon, dielectric properties and layered structure of lunar regolith were the main factors affecting the global brightness temperature of the moon. These factors should be quantified in detail in the future research.     

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

“嫦娥三号”巡视器上搭载的测月雷达通过500 MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30 m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与“嫦娥三号”登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分（FDTD）原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对“嫦娥三号”测月雷达数据的分析提供理论依据。     

Apollo16登月区Hapke模型参数反演及模型敏感性分析

月表光度行为描述了月表物质反射的太阳光随入射、出射和太阳相角的变化,其反射率的不同取决于月壤颗粒大小、粒子形状、透明度、孔隙度、表面粗糙度等因素。为了分析月表光度行为,了解区域反射率差异原因,本文以Apollo16登月区为例,使用M³（moon mineralogy mapper）数据反演Hapke模型物理参数,并分析了Hapke模型光度参数对二向性反射率的影响程度。反演结果显示,本文研究区域光度参数b、h_S变化很小,光度参数w有一定的变化;表明本文研究区域反射率不同主要是w的差异造成的。研究区域月壤中各类矿物颗粒的前向散射占主导地位,月壤结构和粒径总体相近,但在孔隙度、风化层填充物状态及表面粗糙度等因素中至少有一种因素存在差异。     

月球风暴洋地区玄武岩厚度的重力研究

利用剩余布格重力异常进行月球表层玄武岩厚度的推断,为月球地质填图提供了一定的证据。文中利用美国GRAIL卫星660阶布格重力异常,采用巴特沃斯（Butterworth）滤波方法,参考Grant H. Herken等的研究成果（即对月球面向地球一面的玄武岩厚度研究推断）,以此作为控制条件,提取了风暴洋地区的剩余布格重力异常,参考遥感光谱反映出的玄武岩范围,然后利用边界元方法反复模拟修正,最终得出该区的玄武岩厚度分布,玄武岩的厚度不超过1.5 km。     

航空重力弱信号提取的卡尔曼滤波方法研究

航空重力测量以飞机为载体对重力场数据进行采集.由于气流、飞行状态及机体自身振动等因素的影响,航空重力测量原始数据含有大量的噪声,信噪比高达上万级分之一,因此从原始测量数据中获取弱小重力信号成为航空重力测量系统发展的一个技术难题.本文针对航空重力测量系统将通用卡尔曼滤波公式进行了适应性调整,建立了航空重力异常的数学模型,...     

月球雨海盆地多环结构的厘定及其深部构造研究

雨海盆地是月球正面最大、月球上研究程度最高的多环结构撞击盆地,已有很多学者对其多环结构的边界进行恢复研究,但在多环结构最初始形状、多环位置/数量、盆地大小等方面,至今未能达成共识。本文利用GRAIL自由空气重力异常数据、LOLA激光测高数据进行了多源数据的融合,结果表明,雨海盆地是具有偏心圆的三环结构特点,其直径从外到内分别为1 500 km、1 100 km、665 km。基于欧拉反演结果研究表明,在雨海撞击盆地中部存在两种不同深度、构造运动性质及方向的断裂构造,即：(1)深度大于40 km,向下逐渐向内倾斜、延伸的深部断裂构造;(2)深度在40 km以内,由月表向下逐渐向外倾斜、延伸的浅部断裂构造。结合物质成分及地球物理特征的研究,雨海地区的地质构造演化过程可分为两个阶段：(1)在月球早期阶段(45~38.5亿年),主要以内动力地质作用即岩浆洋冷凝过程为主,形成了雨海盆地深度在40 km以下逐渐向内倾斜、延伸的构造断裂,其为本区在月球早期深部岩浆洋产生、分异及运移提供了通道,该构造断裂代表了雨海盆地撞击前的月球早期深部岩浆洋的构造地质演化阶段;(2)在月球晚期阶段(≤38.5亿年),主要以内、外动力地质作用并重,形成了雨海盆地深度在40 km以内逐渐向外倾斜、延伸的构造断裂,其应为本区不同期次的玄武质岩浆喷出或溢流到月表提供了运移通道,该构造断裂代表了雨海盆地撞击后的月球晚期不同期次玄武质岩浆喷发、充填溢流的月海岩浆活动作用的构造地质演化阶段。     

Lunar-A mission: Outline and current status

The scientific objective of the Lunar-A, Japanese Penetrator Mission, is to explore the lunar interior by seismic and heat-flow experiments. Two penetrators containing two seismometers (horizontal and vertical components) and heat-flow probes will be deployed from a spacecraft onto the lunar surface, one on the near-side and the other on the far-side of the moon. The data obtained by the penetrators will be transmitted to the earth station via the Lunar-A mother spacecraft orbiting at an altitude of about 200 km. The spacecraft of a cylindrical shape, 2.2 m in maximum diameter and 1.7 m in height, is designed to be spin-stabilized. The spacecraft will be inserted into an elliptic lunar orbit, after about a half-year cruise during which complex manoeuvering is made using the lunar-solar gravity assist. After lunar orbit insertion, two penetrators will be separated from the spacecraft near perilune, one by one, and will be landed on the lunar surface. The final impact velocity of the penetrator will be about 285 m/sec; it will encounter a shock of about 8000 G at impact on the lunar surface. According to numerous experimental impact tests using model penetrators and a lunar-regolith analog target, each penetrator is predicted to penetrate to a depth between l and 3 m, depending on the hardness and/or particle-size distribution of the lunar regolith. The penetration depth is important for ensuring the temperature stability of the instruments in the penetrator and heat flow measurements. According to the results of the Apollo heat flow experiment, an insulating regolith blanket of only 30 cm is sufficient to dampen out about 280 K lunar surface temperature fluctuation to < 3 K variation. The seismic observations are expected to provide key data on the size of the lunar core, as well as data on deep lunar mantle structure. The heat flow measurements at two penetrator-landing sites will also provide important data on the thermal structure and bulk concentrations of heat-generating elements in the Moon. These data will provide much stronger geophysical constraints on the origin and evolution of the Moon than has been obtained so far. Currently, the Lunar-A system is being reviewed and a more robust system for communication between the penetrators and spacecraft is being implemented according to the lessons learned from Beagle-2 and DS-2 failures. More impact tests for penetrators onto a lunar regolith analogue target will be undertaken before its launch.     

论月球不对称的演化

月球形成初期有一个固体内核,表层是岩浆“海洋”重力分异,冷却固结形成月壳,由于同步自转,其一侧总是向着地球,在地球引力场作用下,使固体内核向地球一侧移动,月壳表层轻的物质向背地球一侧漂浮,所以月亮背地球一侧１５０公里,向地球一侧仅有６０公里,这种演化机制使大部分月海分布在向地球一侧。