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。     

嫦娥三号着陆区月海玄武岩的年龄、成因及地质意义

月海玄武岩主要分布在月海中,由斜长石、辉石和橄榄石组成,与地球玄武岩相比,富铁而贫钠和钾。月海玄武岩的成因,年代和成分研究是理解月岩形成与演化的基础。月球返回的岩石样品数量和覆盖面积有限,并且CE-3号着陆区没有月球样品返回,所以地球上的实验室样品分析方法不能应用到CE-3号着陆区玄武岩研究。本文对CE-3号着陆区月表和下伏玄武岩的组分、来源、分布、年代和层序进行反演和分析。主要使用的研究方法主要包括:玄武岩单元的撞击坑频率-分布函数定年,基于撞击坑的月壤下伏玄武岩单元识别、划分及厚度反演,基于遥感数据的元素含量和矿物成分分析等。结果表明:(1)CE-3号着陆区至少出现了6次较大规模的岩浆充填事件,由新到老分别为EIm、EIm_1、EIm_2、Im、Im_1和Im_2,其中EIm单元年龄约为3.17Ga,Im单元年龄为3.48Ga;(2)研究区玄武岩单元铁元素成分变化不大,而钛元素含量有较大变化。并且玄武岩越年轻,铁和钛元素更加富集。对指示月表硅酸盐矿物的克里斯蒂安参数(CF)和弯曲指数(CI)进行计算,发现研究区没有高硅物质的分布;(3)研究区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;(4)下伏玄武岩单元EIm_1、EIm_2、Im、Im_1和Im_2的平均厚度分别为68.3m,68.6m,81.8m,59.1m和52.1m,其中EIm_1单元的厚度最大为150m,从西到东逐渐减小;Im_1最大深度为224m,位于研究区的北部,向东西两侧依次减小。     

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。     

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。     

基于“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据的月球岩石类型填图:以月球雨海—冷海地区(LQ-4)为例

月球表面的岩石类型分布是理解月球岩浆演化的线索。随着出现越来越多的月球探测数据,利用我国的月球探测数据开展数据挖掘,以获得更深刻的科学认识,这是促进相关研究领域发展的当务之急。文中在进一步校正干涉成像光谱仪数据的基础上,获得了更为可靠的月表FeO和TiO2、镁指数填图等。在调研已有的月球岩石分类标准的基础上,根据我们的月表成分填图结果并结合Lunar Prospector Th元素数据,将月球岩石分为亚铁斜长岩、富镁结晶岩套、克里普岩和5种不同钛含量月海玄武岩等8类岩石。笔者以月球正面雨海—冷海(LQ-4)地区为例,做出该区域的岩石分类图,并讨论了该地区的岩石成因。该地区覆盖"嫦娥三号"着陆区,包含月球雨海撞击事件所形成的玄武岩岩浆泛滥区,对于理解月球的岩浆演化具有重要的研究价值。笔者利用岩石类型分布图,结合岩石同位素年龄数据,与对该地区岩石类型分布及其所代表的月球岩浆演化历史进行了讨论。此外,笔者也对"嫦娥三号"着陆区的FeO、TiO2和镁指数、岩石类型等进行了初步判别,有待于与玉兔号搭载的探测仪器测量结果相互验证。     

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“质量瘤”盆地的深部结构与撞击演化

月球"质量瘤"是指具有等轴状、高幅值重力异常的撞击盆地区域,重力异常是高密度月幔物质隆起与月海玄武岩充填共同作用的结果。研究这种高密度物质异常成因、来源、空间展布特征以及"质量瘤"盆地的深部结构,可以推测其形成与演化历史。利用嫦娥一号激光测高数据与LP165P月球重力场模型计算获得月球布格重力异常,采用新的垂直圆柱体重力异常计算公式,模拟月海充填玄武岩与月幔隆起,使其模拟计算的重力异常与测量的相对布格重力异常相吻合。计算结果表明,月球正面月海区域"质量瘤"盆地充填的玄武岩较高地区域的厚,在典型"质量瘤"盆地的布格重力异常中,月幔隆起是主要因素。计算还发现雨海与澄海下部月壳厚度比正面其他盆地的厚,而且澄海区域的地形表现为中心突起,下部月幔呈一定凹形,推测由于风暴洋区克里普岩的存在使得该区域月壳内部温度高,物质流动性增强,演化后期月壳物质横向压力均衡调整导致月壳物质向盆地中心回流,使得盆地下部月壳增厚,月幔凹陷,盆地地表出现一定程度的抬升。     

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。     

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。     

月表澄海—静海区遥感地质分析

月海盆地作为月球表面重要的地貌单元,分析其玄武岩喷发历史和构造作用,对于了解月球演化有着重要的意义。文中以澄海和静海两个相连通盆地为研究区,通过对LRO的DEM数据进行处理,获得两个月海的地形特征。基于Clementine多光谱数据处理,提取TiO2、FeO含量和成熟度分布图。经过对嫦娥一号CCD影像数据并结合LRO和LO全色波段影像的解译,提取了研究区126条月岭和114条月溪,并对比Cle-mentine提取的重力分布图,对其展布形式进行研究。综合分析结果表明,两个盆地虽然相邻连通,但岩性和构造分布有着明显的差别,玄武岩喷发不同期次界限明显,且澄海玄武岩年龄普遍晚于静海,相通处玄武岩与静海北部玄武岩同源。澄海中的线状构造展布形式与静海中的明显不同,呈现出一定规律,与质量瘤的有无及重力展布形式有关。     

月海玄武岩与月球演化

月海玄武岩主要产于月球近边的盆地中,覆盖面积为月球表面的l％,其形成年龄多在39～31亿年之间,是各类月岩中最年轻的。与地球玄武岩相似,月海玄武岩由斜长石、辉石和橄榄石组成,但它们比地球玄武岩具有更低的Mg#、A1：0,、K和Na含量．高的FeO含量（大于16％）和变化范围大的TiO2含量（小于l％到大于13％）。根据TiO2含量的变化,月海玄武岩分成高Ti（〉6％）,低Ti（1．5％〈TiO：〈6％）以及极低Ti（〈1．5％）三类。所有月海玄武岩都具有Eu负异常,并亏损挥发性元素和亲铁元素。月海玄武岩的同位素特征指示其至少为三个组分混合的产物：（1）高：238U／204Pb、高87Sr／86Sr和负εNd组分,可能是岩浆海分异的残余岩浆即KREEP;（2）低：238U／204Pb、低87Sr／86sr和正εNd组分,来源于原始月幔,其熔融产物为低Ⅱ玄武岩;（3）中等87Sr／86Sr和εNd组分,位于月幔的顶部,经历了岩浆海（洋）过程中形成的堆晶物质的再熔融,还可能受到了陨击事件的影响,其熔融产物是高Ti玄武岩。月海玄武岩的元素和同位素地球化学性质支持岩浆海的假说,其源区的形成与岩浆海的分异密切相关,并经历了三个阶段：（a）岩浆海阶段,通过岩浆海的结晶分异形成顶部为斜长岩月壳,中间为高Ⅱ、富钛铁矿层,底部为巨厚的硅酸盐低Ti层的三层壳幔结构;（b）富钛铁矿堆晶岩（携带少量残余熔体）因密度大而下沉至下部的硅酸盐月幔（400km以下）;（C）月幔中这些不同源区的岩石发生减压熔融。早期由较浅的低熔点组分熔融形成低K高Ti玄武岩,之后形成来源较深的高Ti玄武岩和低Ti玄武岩。     

雨海哥白尼纪月岭的构造样式与演化过程研究

月岭是月球表面月海中分布最广的一种线性构造。虽然月岭的形貌特点已被广泛认识,但它的演化机制与过程却一直存在争论。月球目前所处的地质历史时期哥白尼纪形成的另一种线性构造叶状陡坎已被发现,改变了之前人类普遍认为月球自31亿年以来再无构造活动的认识,但月岭发育的时代特征还未确定,因此,对月岭成因过程和形成时代的研究是认识月球表面构造形成机制和月球演化过程的关键。基于美国勘测轨道飞行器(LRO)数据,对雨海地区的月岭构造进行解译;利用小型撞击坑直径与形貌相对关系定年法结合月岭与小型撞击坑的交切关系,证明在哥白尼纪月球表面仍然有月岭发育,进一步证实月球表面仍然有构造运动发生。利用哥白尼纪叶状陡坎的成因机制,文中设计了基底收缩作用下的月岭砂箱构造物理模拟实验,并设置不同参数多次反复模拟,将模拟结果的顶面和剖面形态以及构造样式与实际月岭进行了对比分析。模拟结果与实际月岭各项特征基本吻合,得出基底收缩可以作为哥白尼纪月岭的形成机制;此外,通过实验发现在这一机制下月岭是由先形成的叶状陡坎构造发展而来,并在月岭发育后又有新的叶状陡坎形成。通过实验过程的监测以及对实验数据的测算,发现月岭的演化过程经历塑性变形期、叶状陡坎发育期、月岭形成期和月岭成形后的叶状陡坎再发育期4个时期;月岭与叶状陡坎并不是受物质与环境约束完全独立发育的两类线性构造,在哥白尼纪以收缩为动力来源的应力环境下可以互相转化。     

月球雨海北部陆地区域构造及其含义

月球雨海北部陆地是雨海多环盆地的第二层,平均高程约-1 km。DEM图像显示,大量来自虹湾与柏拉图月坑的掘积物使本地区高程变得非常不均一。统计了研究区内的月坑,并根据其深度与宽度之比(深宽比)将它们划分为4组。深宽比较小而扁率较大的月坑被认为是较古老的月坑。这些古老月坑分布于比较接近月海的位置。对研究区内线性构造的制图研究揭示了3个优选方位,分别是E—W、NEE—SWW和NW—SE向。这种分布样式与月球格子构造系统大致匹配,因而它们很可能形成于雨海事件之前。这些线性构造,包括断裂与月溪,在月海玄武岩泛滥时期为玄武质岩浆的侵入提供了大量通道。在研究区内一些地形较低的地点,玄武岩上侵并出露在月表,它们的FeO平均含量接近但是略低于月海玄武岩。总结了本地区的地质构造演化历史,并且推论月球上的确存在类月海的陆地。     

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。