基于嫦娥一号卫星数据的柏拉图(Plato)月坑地质研究

通过CCD图像对Plato坑周围区域的线性地貌进行解译和构造方位统计,发现2组明显的线性构造优选方向,一组为NNE—SSW向,一组NWW—SEE向。分析后认为,这是在早期区域应力场作用下形成的,之后受到雨海事件和Plato事件的影响发生再活动,但是区域总体构造格架基本保持不变。使用IIM光谱研究发现,溅射物造成了Plato坑西部和东部在光谱上的差异。坑底玄武岩相对月海玄武岩基性物质含量要低,结合DEM分析认为坑底玄武岩并非从单点溢出。通过对Plato坑壁因垮塌而出露基岩的光谱研究和对本区域平底型月坑宽深比的统计,认为本区域属于高地与月海过渡的地区,在物质成分上受到雨海堆积物的影响而含有较多的低反射率基性物质。最后尝试性地对该地区的地质演化过程进行了推演,得出对本地区地质演化的粗略认识。     

月表构造与深部构造的关系

地球和月球很可能是通过大撞击形成的。在行星地质学中,研究月球的地质-构造现象,对了解月球、地球乃至太阳系的形成与演化历史都有很大帮助。月球的构造分为深部构造与月表构造,寻找它们在分布或成因上的关系,可以为月球甚至地月系的起源和演化历史提供重要参考。利用LROC的宽视角影像数据以及LOLA数据提取解译月表构造,结合深大断裂进行观察分析,并对月球的撞击盆地进行统计,最后以静海地区为例分析构造分布特征,发现月球的质量瘤盆地中具有环状分布的月岭,外侧具有近环状分布的深大断裂,自前酒海纪至酒海纪,具备上述特征的质量瘤盆地占总撞击盆地的比例突然有一个很大的提升,且静海地区西部具有该构造分布特征。推测该特征与撞击、月海沉降等有关,且在酒海纪与雨海纪期间月球有较多的月海玄武岩分布,由此判断静海西部存在质量瘤,发生过撞击与月海沉降。     

月球反射光谱学及应用

随着我国探月工程稳步开展以及未来深空探测需求,反射光谱学研究在我国重新受到重视。文中简要介绍了月球反射光谱学原理及其研究方法,并以“嫦娥三号”着陆场所在的雨海地区为例展示反射光谱学的部分应用。与背面斜长岩高地相对单调的光谱特征不同,雨海周边高地展示了多样性的吸收特征,岩石类型以苏长岩质岩石为主,橄榄石、辉石、尖晶石等矿物都有分布。月球上最古老的和最年轻的玄武岩在雨海盆地也都有分布。古老的中、低钛玄武岩以易变辉石为主兼有少量低钙普通辉石,年轻的高钛玄武岩富含橄榄石。雨海乃至整个风暴洋地区玄武岩较之其他月海玄武岩贫Ca。雨海地区的元素、矿物组成以及玄武岩时代都具多样性,该区是研究月球热演化的重要地区。     

月球冷海玄武岩矿物成分研究

月海玄武岩的矿物组成反映了岩浆源区的化学成分以及岩石形成时的物理和化学环境,对月球热演化研究以及月球资源的开发利用都具有重要意义。本文选择延展范围长的冷海为研究区,基于月球矿物成像光谱仪(Moon Mineralogy Mapper,简称M3)数据研究其矿物的空间变化特征。综合利用光谱、地形、元素等多源遥感数据将冷海划分为25个地质单元。提取169条新鲜坑光谱曲线,获取吸收中心波长、波段面积比等光谱参数。通过光谱吸收特征分析,获得冷海玄武岩铁镁质矿物变化特征。东部冷海地层较老,铁镁质矿物主要为单斜辉石,辉石钙含量较月球样品单斜辉石钙偏低,与澄海以及雨海老的地层矿物组成类似。西部冷海和露湾的地质单元较为年轻,富含橄榄石。风暴洋和雨海年轻玄武岩的矿物也富含橄榄石。这种富含橄榄石、大面积分布的玄武岩反映了月球晚期热演化的独特性。尽管地理上冷海为一个独立的月海,其东西部玄武岩矿物组成的差异以及与其同位置周围月海矿物组成的类似性反映了冷海玄武岩源区与周围月海具有联系。     

雨海地区晚雨海世-爱拉托逊纪月海玄武岩充填过程研究

月海玄武岩是月球四大岩类之一,主要充填于月球大型撞击盆地之中。月海玄武岩充填过程的研究,对于了解撞击盆地充填过程和月海玄武岩充填规律及活动规模,揭示月球的热演化历史具有重要意义。本文综合利用嫦娥一号LAM数据、CCD影像数据和Clementine UVVIS数据,对雨海地区的地形地貌、岩石化学组成进行了提取和分析,对雨海地区月海玄武岩进行了单元划分,并运用撞击坑尺寸-频率分布法对各月海玄武岩单元进行了表面年龄的估算。结果表明,雨海地区月海玄武岩随着时代变新钛和铁元素更加富集,总体上从晚雨海世至爱拉托逊纪由低钛低铁玄武岩向高钛高铁方向演化;月海玄武岩充填活动具有多期次性,每期月海玄武岩的充填流动大体上保持由南向北方向,并且活动规模逐步减小,相对年轻月海玄武岩对早期月海玄武岩的覆盖范围不断减小。正是这种玄武岩流动与覆盖关系和充填过程造成了雨海地区从南向北地势的逐渐降低,以及较老月海玄武岩在较北部地区出露。最后,根据雨海地区月海玄武岩单元在地形地貌、岩石化学组成与表面年龄上的相关性,我们提出雨海地区月海玄武岩经历了多期次逐层填充过程,且每期由南向北流动、规模逐步减小。     

雨海地区月岭分布特征及控制因素分析

月岭是月球表面上最常见的线性构造之一,大多分布于被玄武岩充填的月海之中。虽对于月岭成因的观点不一,但多数月岭具有明显的挤压变形特征,其展布形式有单列、组或群(常见)、网状或雁列状等。月岭的形成和展布既受到月海盆地构造的控制,又受到区域应力状态的影响。文中以雨海为研究区域,利用美国环月球巡逻者(LRO)的宽视角影像(WAC)数据和激光高度计(LOLA)数据对雨海地区的月岭构造进行解译和提取,对月岭进行分类和统计分析,结合雨海盆地构造特征以及月岭构造的样式解析,并运用沙箱构造物理模拟方法对月岭的形成和分布进行模拟实验,讨论了雨海地区影响月岭形成和分布的主控因素。结果表明,月岭是挤压体制下形成的;盆地构造是控制月岭类型Ⅰ分布的主要因素;月岭类型Ⅱ的分布主要受区域构造应力控制,其走向主要反映区域构造的最大主应力方向。综上推断,雨海地区月岭形成于近东西向最大主应力并受到雨海盆地构造的控制,表现为月岭类型Ⅰ和月岭类型Ⅱ的综合样式。     

月球虹湾幅(LQ-4)地质图的编制

应用中国首次月球探测工程所获得的嫦娥一号(Change-I)CCD影像数据、干涉成像光谱数据、数字高程模型(DEM)数据和数据分析处理结果等资料,开展了虹湾—雨海地区区域地质综合研究。通过对月球撞击坑及溅射堆积物分析,以及地层单元划分、构造单元划分、岩石类型划分、年代学和月球演化历史的集成分析,依据月坑的形态特征、充填物的多少和保留的程度等,将月球撞击坑划分出7种类型11个亚类,并将月球撞击坑堆积物系统划分为6种类型9个堆积岩组。根据TiO2的含量、分布及影像特征,将月海、月陆玄武岩划分为高钛玄武岩、中钛玄武岩和低钛玄武岩。应用ArcGIS地理信息系统,试点编制了1∶250万月球典型地区——虹湾幅(LQ-4)地质图,并建立了空间数据库,探索制定了月球数字地质图编制技术规范、流程和方法,为中国下一步应用嫦娥二号数据开展"全月球地质图"编制,以及未来其他天体的区域地质综合研究与地质编图工作奠定了基础。     

月球南海地区玄武岩厚度估算

月海玄武岩是月幔部分熔融喷出月表而形成的,其厚度可以反映月海玄武岩源区的深度。研究月海玄武岩厚度,对进一步认识月球区域岩浆作用或火山作用的演化历史具有不可替代的作用,也能够为整个月球的热演化和岩浆演化提供基本的约束条件。同时,玄武岩厚度可以用以推测月球内部产生玄武岩岩浆的体积,对月球火山作用的岩浆喷发总量以及月球内部的热状态具有指示作用。本文基于多源遥感数据,综合利用撞击坑的形貌特征与月坑挖掘深度法对南海地区撞击坑内(crater)和撞击坑间(intercrater)两类玄武岩地层的厚度进行了估算,并对玄武岩的面积、体积、年龄及岩浆活动做了简单分析。研究结果表明：南海地区撞击坑内的玄武岩厚度变化范围为0.11~4.75 km,平均值约为1.32 km,玄武岩的出露面积和出露体积分别为57.06~10 791.66 km2和10.25~51 260.38 km3;撞击坑间的玄武岩厚度变化范围为0.01~2.18 km,平均值约为0.34 km,玄武岩的出露面积和出露体积分别为6 487.89~33 170.55 km2和2 711.97~11 609.69 km3。因此,南海地区玄武岩厚度的变化范围分布在0.01~4.75 km,平均厚度约为600 m,出露的玄武岩总面积约为2.12×105 km2,总体积约为2.71×105 km3。通过分析南海地区的玄武岩年龄及分布特征,发现南海地区内的岩浆喷发活动主要集中发生在雨海纪至爱拉托逊纪时期,且其局部区域存在多次岩浆喷发及充填过程,但由于晚期玄武岩岩浆的喷发总量不足以覆盖早期已形成的玄武岩,导致晚期玄武岩与早期玄武岩同时存在于同一个玄武岩单元内。南海地区独特的玄武岩分布特征也与地形有关。     

月球雨海地区玄武质岩浆充填活动期次的重新厘定及地质意义

雨海盆地是月球上研究程度最高的多环结构盆地,月球上古老的和年轻的玄武岩在盆地中均有分布,因此雨海是研究月海玄武岩岩浆活动的理想区域。为了更合理的厘定雨海地区的玄武质岩浆演化历史,本文主要结合岩石学、年代学等工作对本区玄武岩的充填期次进行重新划分。利用嫦娥一号IIM光谱数据进行岩石类型分布图编制,初步划分了5类不同钛含量的月海玄武岩;基于高分辨率100m LRO宽视角影像数据通过撞击坑尺寸-频率定年法(CSFD)对本区玄武岩单元模式年龄进行厘定,共划分35个玄武岩单元,发现本区在3.49~2.23Ga均有玄武质岩浆充填活动,具有多期次性。在建立不同类别玄武岩、形貌特征与模式年龄的对应关系基础上,将玄武岩充填划分为4个期次:极低钛玄武岩(3.49~3.20Ga)、低钛玄武岩(3.29~2.83Ga)、中钛玄武岩(3.13~2.52Ga)、(极)高钛玄武岩(2.92~2.23Ga)。本区地形地貌高程特征与不同表面年龄的玄武岩单元之间总体上呈现出一定的负相关性。因此在本区玄武质岩浆期次划分考虑上,不仅要考虑玄武岩的成分特征,更要考虑结合与玄武岩演化密切相关的年代学及形貌学特征,利用形貌、成分数据和年代学信息来共同约束玄武质岩浆期次划分及演化历史。     

嫦娥一号干涉成像光谱仪数据再校正与全月铁钛元素反演

月球表面的元素和物质成分分布是理解月球成岩与地质演化历史的重要线索。嫦娥一号干涉成像光谱仪(IIM)是我国首台月球探测成像光谱仪器,其获得的大量月球高光谱数据已成为我国未来探测月球成分与地质演化研究的宝贵基础数据。本文利用探月工程地面应用系统发布的IIM B版本2C级数据,开发出一套数据再定标流程,获得了较为可靠的月表相对反射率数据。我们在新校正数据的基础上开展月球表面FeO、TiO_2的反演建模,获得了全月FeO和TiO_2分布图,这些图件是进行月球地质填图的基础。校正数据反演的FeO和TiO_2分布与前人对Clementine UVVIS数据的反演结果相近,表明干涉成像光谱仪数据具有较大的应用潜力。高地的低铁岩石成分(一般小于8%)佐证了月球月壳形成的过程中的岩浆洋分异假说,而月海玄武岩的TiO_2成分变化范围较大(0~13%)则表明月海玄武岩来源于不同的月幔源区。根据嫦娥一号干涉成像光谱仪全月FeO分布图,可将月球表面物质类型总体划分为高地斜长岩和月海玄武岩,而根据TiO_2分布可以进一步将月海玄武岩划分为5种不同钛含量的玄武岩岩石类型。FeO和TiO_2在全月范围内的分布表明Apollo和Luna返回的月球样品不能够代表全月范围内的矿物成分多样性,月球岩浆演化历史比前人认为的要复杂。未来月球样品返回任务(如嫦娥五号)如能赴这些特殊地区进行取样,将很有可能返回重要的月球科学研究发现和成果。     

基于ArcGIS的月球虹湾地区数字地质图编制研究

虹湾幅月球数字地质图是中国首次编制的关于月球地质演化的地质图,应用的主要数据资料来源于"中国首次月球探测工程"嫦娥一号CCD影像数据、DEM数据,结合Clementine750nm影像数据,主要月坑的高分辨率图片,同时结合前人的研究成果,如主要矿物元素含量分布图、多波段反射率特征分布图等编制完成。所有的数据处理应用的是ArcMap平台,同时结合使用了MapGIS软件和Photoshop软件,数据模型采用Geodatabase地理数据模型。详细介绍了基于ArcGIS平台编制月球数字地质图的工作流程,编制方法及依据、编制规则及数据库的建立等,为今后开展月球数字地质图的编制积累了经验。     

基于撞击坑自动识别的月球雨海北部地区(LQ-4)月海玄武岩定年研究

月球表面定年研究对于理解和重建月球地质演化历史具有关键作用,撞击坑尺寸频率分布法(CSFD)是通过统计区域内不同尺寸撞击坑密度得到特定地质单元的绝对地质年龄。雨海北部地区(LQ 4)包括雨海北部、冷海西部地区以及风暴洋东北部等月海,位于雨海西北边缘的虹湾是中国嫦娥三号卫星预选软着落区,文中综合使用3种方法从影像和地形数据中自动提取了该区内的撞击坑。利用Clementine光谱数据对雨海北部和风暴洋东北部内玄武岩进行了分区,利用撞击坑尺寸频度法(CSFD)法得到每个玄武岩分区内的定年结果。对比该地区之前的定年数据后发现,使用自动识别结果得到的各分区定年结果新老整体趋势上与之前研究结果基本一致,但存在一定偏差。根据自动识别定年结果,认为该地区玄武岩新老顺序大致为：雨海东部(3.56 Ga)-虹湾(3.38 Ga)-风暴洋东北部(2.74 Ga)-雨海西部(2.63 Ga)-柏拉图坑(2.37 Ga)。结合撞击坑自动识别技术和CSFD法,形成了一条利用影像和地形遥感数据快速得到月球表面地质年龄的方法,为月球年代学研究提供一种新途径。     

月球虹湾-雨海盆地壳幔结构

为了探讨月球大型撞击盆地形成后的壳幔物质迁移, 采用新近的月球重力场数据研究壳幔界面的起伏情况, 这对撞击盆地的形成演化研究有重要意义.通过对虹湾-雨海盆地地区玄武岩引起的重力异常进行正演模拟, 发现该部分重力异常仅约占布格重力异常幅值的8%, 布格重力异常主要与壳幔界面起伏有关.对该地区不同解算高度的剩余布格重力异常进行场源边界提取, 发现虹湾-雨海西北部的壳幔界面随深度增加向雨海中心倾斜, 在此区域下方, 壳幔界面会有一个向虹湾方向的额外上隆, 可能为月幔物质曾向此方向涌动造成.分析表明这种月幔上涌情况可能在雨海撞击时形成, 或者可能是形成虹湾的撞击对雨海盆地壳幔结构产生了二次影响, 在虹湾地区的壳幔回弹过程中, 拖动雨海下方的物质向虹湾方向运移造成的.      

月表线性构造定量提取与演化分析:以静海月岭、月溪为例

线性构造是月球表面除环形构造外另一种重要的构造样式,呈线状延伸。月表线性构造种类繁多,其成因也具有多样性。它能反映全月球或者区域性的构造特征与应力状态,在某种程度上反应月球内部的地质信息,对研究月球的构造演化有重要的意义。文中以静海地区为例,经过对“嫦娥二号”CCD的影像数据及从中提取的DEM数据进行解译,提取出了284条月岭和71条月溪,并对月岭月溪进行分类和统计分析,然后结合静海地区线性构造的分布特征及坡度图、等值线图,分析其演化过程。结果表明,静海地区的月溪月岭大部分分部在西部高程较低的区域;静海盆地月溪的形成时间与盆地形成及玄武岩的填充时间大致相同,月岭的形成时间大致与撞击坑的形成时间相同;静海盆地中一端延伸至撞击坑的月岭形成模型属于火山成因模型中的堤坝模型。