月球探测中月面热环境影响的研究现状

在月球探测中,多光谱、热红外、被动微波辐射等探测技术被广泛应用于月表物质组分和物理特性的探测,也积累了大量探测数据。月球太阳辐照、月球表面温度、地球反照和内部热流等月面热环境的变化,改变了月表物质反射率、热发射率以及其他电磁学等基本性质,制约了探测数据的准确解译;同时,大幅度的太阳辐射强度和月面温度变化也直接威胁月面探测中巡视探测器和宇航员的安全。但是,目前月球表面热环境对探测活动的影响认识还比较欠缺,月面热环境的时空变化规律认识还不够充分,在实验研究不足的情况下对各种探测方式的影响缺乏系统的理解。结合月球探测的发展,进一步立足实验手段和探测结果,通过开展不同地形条件下月面太阳辐射和物理温度的时间变化和空间分布规律研究、探测数据与月面热环境参数时空匹配问题研究、建设具备类似物质组成和月面热环境特征的实验场地以及开展系统的热环境影响模拟实验研究,全面认识月面热环境参数的时空变化规律,探讨月面热环境对不同探测方式的影响将是月面热环境研究的重要内容。     

月面环境与月壤特性研究的主要问题探讨

月面环境与月壤特性是月球探测和月球科学研究的重要基础,对它们的研究一直在不断加深,本文对月球表面地形地貌、热环境以及月壤特性三个方面的研究现状进行了总结,初步分析了这三个方面研究目前存在的一些主要问题：（1）地形地貌对月球定量遥感的影响以及南极艾特肯（SPA）盆地等地貌单元的年代学划分和成因演化;（2）月面热辐射、月表物理温度和热流等月面热环境特征的进一步探测和全面分析,以及其对地球反照率变化的响应;（3）月壤形成演化过程及空间风化作用,月球极区氢富集机制和水冰探测,以及月球资源开发利用。     

月球地形地貌对各种月面探测技术的影响

月球的地形地貌一直以来都是备受关注的重要内容,它对光学成像、热红外、微波辐射等遥感探测以及月面探测活动具有重要的影响。与地球不同,月球上没有大气、海洋,也未发现生命迹象,对月球的探测直接面对着高低起伏变化的月球表面。而且,特殊的地形地貌,在矿物组成、含量方面也表现出显著的差异。本文介绍了光学成像、热红外遥感以及微波辐射遥感等月面探测技术的原理,通过分析其主要影响机理,认为月球地形地貌对各种月面探测技术的影响主要体现在不同地貌的岩石类型和组成差异影响、地形起伏和热环境差异影响以及崎岖月面安全威胁三个方面,这也是今后研究的重要发展方向。     

月球探测的进展与中国的月球探测

介绍了月球探测历程、第一次探月高潮中在月球的形状、大小、轨道参数、近月空间环境、月表结构与特征、月球的岩石类型与化学组成、月球的资源与能源、月球的内部结构与演化历史等方面所取得的成果。提出了中国开展月球探测的初步设想,认为近期中国的月球探测应以不载人月球探测为宗旨,分为“绕、落、回”三个发展阶段,即环月探测、月面软着陆器探测与月球车月面巡视勘察、月面软着陆与采样返回。     

基于3D WebGIS月球地质空间数据管理系统

随着空间信息技术、地学信息技术和GIS等技术的飞速发展,利用QT结合OpenGEL技术建立基于3D WebGIS月球地质空间数据管理系统。该系统包含二维成果管理系统、发布系统与三维月球研究3个子系统,实现改善月球资料信息使用效率、信息化程度与多源空间数据共享。将中国探月计划所获取的月球地形地貌、岩层、土壤、资源、环境及各种相关数据资料与研究成果,以及国外包含数据、文献、报告等月球探测的研究最新成果集成在一起,建立了中国第一个月球地质空间数据管理系统。该信息系统既包含管理和服务功能,又提供面向科研、决策的信息服务与科学的分类管理、快速检索和联机查询的功能。地质空间数据管理系统具备强大的数据综合分析能力、综合管理月球地质资料与集成数据资料成果的汇总能力,将为中国探月工程提供有力的支撑。     

月球的撞击历史及其对月表物质的改造

外来天体物质的高速撞击作用贯穿了月球形成和演化的全部历史。撞击作用是塑造月球全球地貌、改造月表物质的物理化学特征、影响月球多圈层演化的重要地质营力。月球上的撞击过程、撞击历史及其对月表物质的改造，一直是月球科学研究的重要内容，也是月球探测的重点研究对象。本文综述了近十年来国、内外在月球的撞击过程、撞击历史和撞击改造浅表层物质研究中的重要进展，重点介绍了基于我国嫦娥探月工程获取的科学数据的相关研究成果，展望了该研究的发展方向，并对未来探测的重要观测目标提出了建议。     

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。     

月球的构造演化：嫦娥月图解释的理论基础

基于月球研究资料的整理、综合及嫦娥1月图影像的实例解读和解释,本文介绍并总结了月球的构造及演化研究的若干概念、研究思路和新的观点。通过纲要性勾画,描绘月球不同类型和阶段构造演化的基本轮廓,重点论述了四个方面的问题：对月面建造历史和月球演化的历史进行了修正,将月球演化按照其特点三分为冥、古、新月宙／界,并提出建立南海纪／系的主张;以东海Hevelius抛射建造（／东海群）分析为例,主张建立构造一建造综合分析思路;从抛射建造与月面相互作用的角度,提出并阐述了掘积系统的概念、掘积系统内外带之间划分的新标志即蚀积盂及其所组成的捩侵蚀带（TSZ）;在月球表面形貌构造区划分析的基础上,通过对月盆、月海的时空分布规律的分析、综合,提出月球晚期大轰击（LHB）所造成的月盆开掘期间,具有“轰击漂移”现象,并推测月球LHB过程中出现准对跖翻转;通过对古老月陆区所保存的线性构造解读和构造形迹的组合关系分析,尝试性地提出在冥月宙月球岩浆洋（LMO）演化晚期可能存在单板模式的月全球构造。月球构造演化从初始阶段的LMO所驱动的内动力体制转向冲击造成的外动力体制。     

我国月球探测的总体科学目标与发展战略

在简述月球探测的历程与趋势的基础上,强调当代月球探测的总体目标为：①研究月球与地月系的起源和演化,特别是月球大气层与磁场的消失,矿物与岩石的分布和形成环境、月壤和内部层圈结构的形成以及月球演化的历程;②探测月球的资源、能源和特殊环境的开发利用及对人类社会长期可持续发展的支撑。我国不载人月球探测划分为绕、落、回三个阶段。为了全球性、整体性重新认识月球,绕月卫星探测的科学目标是为了获取全月面三维影像,探测14种有用元素的全球分布与丰度,探测月壤厚度并估算氦 3资源量以及太阳活动对空间环境的影响。"落"为月球探测器软着陆就位探测和月球车巡视探测,建立月基光学、低频射电和极紫外天文观测平台。"回"为月球探测器软着陆就位探测和取样返回地面。     

辉石颗粒的辐射带电特性

尘埃颗粒带电是月球表面和太阳系空间环境中普遍存在的现象,是理解月球辉光成因、深入认识月球尘埃环境等的重要基础。本文以月壤和宇宙尘中具有代表性的辉石颗粒为对象,在电子枪辐射模拟环境中开展带电实验研究,发现微米大小的颗粒带电量约在105~108e之间,1~5μm的辉石颗粒最容易发生带电运动,产生带电运动颗粒的带电量随着颗粒大小的增大而增大,相近大小的颗粒由于堆积情况不同也存在较大差异。根据辉石颗粒的最大带电量拟合可以得出其最大吸附带电量与颗粒大小成幂指数关系,并与辐射电子能量有关。最后,通过实验数据的拟合,给出了月球辐射环境中尘埃颗粒最大电量模型,并根据实际月球表面情况推测了带电尘埃颗粒的迁移高度特征,发现月面尘埃颗粒的带电运动绝大部分发生在几百米的近月表空间。     

地幔和大洋玄武岩的钒同位素研究

钒(Ⅴ)是一个变价元素,其赋存状态和地球化学性质对环境的氧化还原条件非常敏感,因此Ⅴ同位素可以作为一个新的地球化学示踪剂来制约高温地质过程氧化还原条件的变化。随着多接收电感耦合等离子质谱仪(MC-ICP-MS)的发展,Ⅴ同位素的分析精度不断提高,高温地质过程的Ⅴ同位素分馏能够被分辨出来,使得Ⅴ同位素的高温地球化学研究得以开展。本文对地幔和大洋玄武岩的Ⅴ同位素组成进行了总结,综述了Ⅴ同位素在蚀变过程、部分熔融和分离结晶重要地质过程的分馏行为,对比了硅酸盐全地球与陨石之间Ⅴ同位素组成的差异,并探讨了高温Ⅴ同位素地球化学未来的发展方向。     

大息场组——黔东北思南奥陶系—志留系之交的一个新地层单元

黔东北思南鹦鹉溪大息场剖面出露奥陶系-志留系界线处的地层序列,该序列与周缘地区相比较,具有其岩相和生物相的特殊性,以此为据建立新地层单元--大息场组。大息场组实测厚度129.7 m,主体岩性由灰色和灰黄色薄层-中层细砂岩和粉砂岩组成,下部暗色粉砂岩中产出3层笔石,指示该组时限为凯迪期晚期到鲁丹期末期。大息场组的碎屑岩层之间不存在暴露海平面之上的标志,表明这里地处局限的凹陷带,此时黔中古陆以北发生的海退未波及至此。     

北京郊区秋季灰霾天气下细颗粒物化学成分及其混合特征研究

于2014年11月在北京郊区利用单颗粒气溶胶质谱仪(SPAMS)高时间分辨率观测了大气中细颗粒物的化学成分。通过Art-2a对单颗粒化学成分进行分类,主要包括8类颗粒物:有机碳(OC)、元素碳(EC)、元素碳有机碳(ECOC)、钾二次颗粒(K-Sec)、钠钾二次颗粒(NaK-Sec)、矿尘颗粒(Dust)、左旋葡聚糖颗粒(Lev)、含铅颗粒(Pb)。清洁期(2014年11月5日15:00至2014年11月15日0:00, PM_2.5平均质量浓度27.4μg/m^3)和灰霾期(2014年11月19日0:00至2014年11月30日10:00, PM_2.5平均质量浓度116.4μg/m^3)对比研究发现,清洁期OC颗粒占比最高,占总颗粒数的33.0%,其次是EC和ECOC颗粒,分别占总颗粒数的29.7%和16.4%;灰霾期OC颗粒物显著增加,比例高达46.1%,其次是ECOC,增至22.4%,而EC颗粒降至18%。此外,灰霾期二次组分HSO_4~–、NO_3~–的信号强度与二次组分数浓度均大于清洁期,表明灰霾期无机盐(HSO_4~–、NO_3~–)在颗粒物中的贡献增大。通过分析相对湿度与SO_2、NO_x和含硫酸盐、硝酸盐颗粒之间的关系,发现含硫酸盐和硝酸盐颗粒数浓度随环境湿度增加而增加,表明液相反应对硫酸盐生成有促进作用,同时相对湿度的增加可能对硝酸盐的形成有一定的贡献。混合状态分析表明,含碳气溶胶与HSO_4~–和NO_3~–的混合程度较强,与铵盐混合程度较弱。研究结果反映二次气溶胶形成特别是有机物颗粒的增加对于北京市灰霾形成具有重要的贡献。     

中国西南河流碳、氮运移机制及其对水文条件变化的响应:以西江为例

流域碳、氮的生物地球化学循环过程关联着区域/全球尺度的气候变化,同时受到气候条件变化的影响。本次研究以我国西南喀斯特地区的西江为例,通过时间序列的高频次样品采集和分析,揭示水文条件变化对河流碳、氮动态变化的影响及其控制机制。结果表明,在高流量条件下,化学风化的加速、土壤CO2的汇入及流域内有机质的降解导致了水体δ13CDIC偏负,碳酸盐矿物的快速风化致使河水HCO3-浓度表现出强烈的"化学稳定性";对DIC、δ13CDIC、流量、温度的联合分析表明,矿物溶解、土壤CO2的汇入与河流中有机质降解的共同作用导致了西江河水碳动态的季节变化;河水NO3-浓度在高流量条件下并未表现出明显的稀释效应,反应了人为输入和化学转化过程对NO3-浓度的影响;硝酸盐氮、氧同位素的分析结果表明,西江NO3-来源受人为活动影响较大,主要转化过程为硝化作用;同位素和水化学证据表明碳酸、硫酸、硝酸共同参与流域岩石化学风化,雨季外源酸参与风化的减弱是河流中HCO3-稀释的重要原因。     

黔东南苍蒲塘钾镁煌斑岩含铬尖晶石地球化学特征及其对金刚石含矿性的指示

钾镁煌斑岩是将原生金刚石从地幔带至地表的主要岩石类型之一,携带了岩石圈地幔金刚石源区和基底岩石丰富的地球化学信息。由于风化作用影响,出露地表的钾镁煌斑岩岩石结构和化学成分均发生明显变化,岩石组成和成因的原始信息很难保存。但是钾镁煌斑岩携带的锆石和尖晶石等副矿物/捕掳晶,可成为研究地幔深部岩浆–构造作用过程、钾镁煌斑岩金刚石含矿性等重要科学问题的探针。本文对黔东南苍蒲塘钾镁煌斑岩中的锆石和铬尖晶石分别进行了SHRIMPU-Pb定年和主量、微量元素分析。定年结果显示,苍蒲塘钾镁煌斑岩携带有古老的基底物质,较为年轻的岩浆锆石暗示其侵位年龄为451±7Ma,与黔东南其他钾镁煌斑岩的形成时代基本一致。苍蒲塘钾镁煌斑岩中铬尖晶石表面具有明显的溶蚀现象,具有高Cr(Cr#>0.6)、Ni(300~1026μg/g)和低Ti(TiO2<0.13%)、Ga(12.9~33.4μg/g)的特征,与全球金伯利岩/钾镁煌斑岩橄榄石捕虏体中的铬尖晶石特征相似;元素地球化学分析显示,铬尖晶石与受俯冲作用改造的地幔橄榄岩有关。依据铬尖晶石Cr#值(0.56~0.87)及其存在条件,推测其原始岩浆的压力范围为(30~53)×10^2MPa,对应于99~175km的深度,部分达到了金刚石稳定区的上限,暗示苍蒲塘地区具有较好的金刚石找矿前景。     

大别-苏鲁造山带橄榄岩记录的碰撞造山过程中地幔楔的地壳交代作用

地壳交代作用是洋壳俯冲带板片-地幔界面的普遍现象,由于地幔楔样品的缺乏,其识别存在困难。而碰撞造山带广泛出露的地幔楔来源的造山带橄榄岩则是理想的研究对象。本文对大别-苏鲁造山带橄榄岩的已有研究成果进行了系统总结。这些成果表明这些橄榄岩在大洋俯冲向大陆碰撞转换的不同阶段经历了多期地壳来源流体的交代作用。地壳交代作用不仅改变了地幔楔橄榄岩的地球化学成分,而且导致了交代矿物的生长以及超镁铁质交代体的形成。这些交代体或作为同碰撞和碰撞后镁铁质火成岩的地幔源区,或将地壳组分传输到深部地幔,或释放流体交代大陆俯冲隧道中的俯冲陆壳。本文对地壳交代作用研究中存在的重要问题和解决思路提出了建议。     

板块俯冲起始与成熟阶段的差异变质响应

板块俯冲起始是俯冲带最不为人知的关键过程之一,对理解全球板块构造如何启动有重要意义。本文综合了最新的数值模拟、变质岩石学和年代学研究结果,探讨板块俯冲起始到成熟阶段的热结构和变质作用差异。从俯冲起始到成熟阶段,俯冲带热结构由"热"变"冷",初始俯冲更可能形成的是角闪岩或麻粒岩,形成于热俯冲环境,以逆时针p-t轨迹为主,通常伴随板块部分熔融过程;而成熟阶段形成的主要是低温蓝片岩和榴辉岩,形成于冷俯冲环境,具有典型的顺时针p-t轨迹,以板块变质脱水为主。对俯冲带高t/p变质岩(如变质底板)的进变质过程、时间以及构造背景等方面需进一步加强研究,以获取更详实的现代板块俯冲起始阶段的地质过程。     

中国陆相下中新统山旺阶下界层型的选择

山旺期是中国陆相新近纪地质年代中的一个时段,代表了古老哺乳动物类群式微、现代化的哺乳动物类群滥觞的全新时期。山旺期大体与全球海相的布尔迪加尔期(Burdigalian)对应,开始的时代大约在20 Ma (百万年)左右。但长期以来,中国代表山旺期开始时段的地层中,很少有哺乳动物化石发现,因而学术界对这一重要时期的哺乳动物演化面貌知之甚少。这也使得相对应的陆相年代地层单位山旺阶的下界迟迟难以确定。近年来对内蒙中部生物地层学的研究,在苏尼特左旗敖尔班地区发现了含有谢家—山旺时期丰富哺乳动物化石的连续剖面(敖尔班组),为以上困难的解决提供了一切有利条件。敖尔班组的沉积连续,从下往上哺乳动物群经历了明显的变化,下部的下敖尔班动物群中含有双柱鼠类(distylomyids)、拟速掘鼠(Tachyoryctoides)、中华鼠兔(Sinolagomys)、基干有角类(basalpecoran)等原始类群;而上部的上敖尔班动物群中,上述类群已完全绝灭,出现了巨尖古仓鼠(Megacricetodon)、古仓鼠(Cricetodon)、跳兔(Alloptox)等新类群,鹿科(Cervidae)开始适应辐射,并出现了从非洲迁移而来的嵌齿象类(gomphotheres)和从美洲迁移来的安琪马(Anchitherium)。动物群的特征反映出下敖尔班动物群很可能还处于谢家期的末尾而上敖尔班动物群已进入了山旺期。古地磁数据显示敖尔班组的时代大约在21～17.5 Ma之间,可以包含海相布尔迪加尔期开始的时间点。本文推荐以最原始的冠群鹿科双叉鹿亚科(Dicrocerinae)在敖尔班剖面上的首现作为山旺阶下界的标志,该层位恰位于古地磁极性带C6n的底界,时间为19.722Ma。在中国地区,其它包含山旺阶下界的剖面还包括甘肃兰州盆地的对亭沟剖面、青海西宁盆地的谢家剖面、新疆准噶尔盆地的铁尔斯哈巴合剖面等,与上述剖面相比,敖尔班剖面在20～18 Ma之间的哺乳动物群最为丰富,因此是建立山旺阶下界层型的最佳地点。     

关于建立斑岩型铜矿床勘查标识体系的初步探讨

斑岩型铜矿床勘查标识体系,是建立在全球超大型.大型斑岩型铜矿床丰富研究成果和勘查经验基础上,凝炼不同矿床之间的共性和差异性来作为斑岩型铜矿床普适性标志和区分标准,探寻矿床特征与勘查方法之间的内在联系,最大程度结合科研成果,优选科学的勘查方案并给出评价依据,构建以地质事实→成矿机制研究→勘查方法应用“三位一体”的勘查标识体系。该体系架构分为矿床地质、矿床成因机制和勘查方法三个部分。建立斑岩型铜矿床勘查标识体系将有利于增进对斑岩型铜矿床的有效勘查。本文以特提斯.喜马拉雅成矿域的西藏驱龙斑岩型铜.钼矿床、环太平洋东段成矿域的智利ElTeniente斑岩型铜.钼矿床和中亚成矿域东部的蒙古OyuTolgoi斑岩型铜.金矿床三个超大型斑岩型铜矿床为例,重点对比勘查标识体系中矿床地质和致矿岩体地球化学特征,归纳提炼不同矿床之间的共性和差异,对构建斑岩型铜矿(床)勘查标识体系进行初步探讨。研究结果显示:产于不同构造环境下的三个斑岩型铜矿床中均发育钾化带、青磐岩化带和绢英岩化带;铜矿化在钾化带和绢英岩化带中均有发育,钼矿化更倾向于在含水蚀变如绢云母化带、石英.绢云母蚀变部位,金矿化赋存于钾化带发育部位;矿化中心向矿区外围硫化物具有斑铜矿→黄铜矿(+斑铜矿)→黄铁矿的分布规律,铜矿化和钼矿化相叠加,但高品位的铜钼矿体相分离。驱龙矿床未发育ElTeniente矿床和OyuTolgoi矿床共有的(高级)泥化蚀变,可能与其形成环境或剥蚀有关。在地球化学数据收集中,为了确保数据分析的有效性提出筛选方法和程序。岩石地化数据结果显示:致矿斑岩体主要由30%~50%斜长石斑晶和60%左右基质(石英、钾长石)组成,均为高钾钙碱性、过铝质、埃达克质岩石,具有相似的右倾型稀土元素配分模式;但是致矿岩体的硅碱成分、稀土元素配分模式、Sr-Nd同位素表现出与产出环境一致的变化规律,Sr/Y-Y图解显示ElTeniente矿床较驱龙矿床和OyuTolgoi矿床的致矿岩体表现出更典型埃达克岩特征。总之,斑岩型铜矿勘查标识体系的提出和以三个矿床为例的初步探讨为下一步构建该勘查体系奠定了一定的基础。