月球形成和演化的关键科学问题

我国正开展月球探测和科学研究,其成果将加深认识月球的组成、结构以及形成和演化,同时揭示地球的早期历史。通过对月球研究成果的总结,就月球形成和演化关键科学问题的现状作了较为详细的说明,从而为我国月球探测和科学研究提供有益的启示。主要的关键科学问题包括：地球一月球体系的大撞击成因、月球岩浆洋与月壳形成、39亿年大撞击事件、玄武岩浆喷发与月球内部结构和月球南极艾特肯（Aitken）撞击盆地的形成等。     

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。     

月球形成演化与月球地质图编研

按照大碰撞假说,月球形成于一次大碰撞事件,抛射出的高能量物质留在绕地轨道上,最后吸积形成月球。月球核幔在早期迅速发生分离,并出现全球性的岩浆熔融,形成了岩浆圈层（岩浆洋）。岩浆洋的结晶分异和固化导致了月壳的形成。随着月壳与月幔发生持续分异,形成了固化的月壳。而在月球后期的演化历史中,撞击作用是最重要的地质作用,形成了多尺度、多期次的撞击盆地和撞击坑,而大型撞击盆地多形成于月球演化的早期。月球地质图是开展月球形成与演化研究的重要手段,从20世纪60年代起,到70年代末止,通过对阿波罗时代探月成果的系统总结,完成了第一轮月球地质图的研制。但尽管从20世纪90年代以来国际月球探测和月球科学的研究进入一个新的高潮,获得了大量有关月球形成和演化的新认识,但还没有正式的新的月球地质图发布,因此开展新一轮月球地质图的编研,系统总结后阿波罗时代的月球探测与研究成果,是非常必要和迫切的。在新一轮月球地质图的编制过程中,需重点关注图件比例尺的选择、月面历史的划分以及月球构造和岩石建造的表达。     

月球东海盆地综合解析与撞击初始条件的研究

东海是月球上最年轻的多环撞击盆地,关于其形成机制的研究很多,但成果大都基于正撞击的机制提出的,虽然有部分学者提出东海是斜撞击的,但缺乏具体撞击参数。本文通过多源数据融合,综合分析LRO影像数据、LOLA地形数据、M~3高光谱数据和IIM高光谱数据,对东海地区的地貌特征、物质成分进行了较为系统的解译,发现在东海中央熔融区存在一条与东海撞击方向垂直的中央隆起区域(中央隆起线),其也是中央熔融区粗糙部分与光滑部分的分界线,结合撞击坑成坑理论,认为其可能是撞击过程冲击波作用引起的堆叠作用形成的。同时利用GRAIL数据及对该地区的重力异常的成因进行了分析,认为异常是由于压强、温度及岩石粘度的改变引起局部莫霍面抬升和中央熔融物的形成而出现的,进而估算出熔融物占盆地内物质的25%,约为1.1×10~6km~3。同时,对GRAIL数据的剖面分析结果也支持了本文的斜撞击理论。最后,综合多方面的信息和撞击理论获取东海盆地构造分布图,并根据中央隆起线、溅射物及线性构造的分布特征等,提出东海盆地理论上是由一直径在50~100km的撞击体以10~30km/s的速度自东偏北约20°~30°方向以20°~30°的角度斜撞击月表而形成的。这可为研究更早期的月球撞击坑提供理论参考。     

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。     

月球东海盆地的矿物光谱特征及遥感探测

东海盆地是月球上最年轻的大型撞击盆地之一,其地形地貌和矿物与岩石类型分布将有助于我们深入理解月球撞击盆地形成过程和地质演化历史。LOLA高程数据揭示东海盆地为保存完好的多环撞击盆地。基于月球矿物绘图仪（M3）反射率数据,在东海盆地发现了尖晶石、辉石、结晶斜长石、橄榄石等矿物,采用修正高斯模型（MGM）进行混合矿物光谱分解获取了矿物端员,利用光谱角分类方法（SAM）作出了Maunder 撞击坑的主要矿物分布图。发现的纯结晶斜长石矿物与最近其他月球探测（如Kaguya)相吻合,为月球岩浆洋模型提供了新约束条件。在Lowell撞击坑中央峰发现尖晶石分布,并利用多光谱成像仪（MI）数据进行了验证;利用MGM方法,在Maunder建造上发现结晶斜长石与尖晶石的混合矿物,我们通过分析认为东海盆地的尖晶石在外卢克山脉上可能有更广泛的分布。     

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。     

月球哥白尼纪地层特征与地质演化研究

月球哥白尼纪地层是月球演化历史中最年轻的地层单元,哥白尼纪撞击坑数量较少,但其形成的哥白尼纪地层却是全球性的、非常显著的,大多学者普遍认为哥白尼纪基本没有岩浆活动与构造活动。通过对月球哥白尼纪地层进行地质填图,认为月球高地地区撞击坑辐射纹相对月海地区辐射纹发育更好,推测其原因可能为高地与月海岩石性质不同,或撞击的小天体体积、能量、物质特征以及撞击的角度、速度不同等原因导致的;哥白尼纪地层可划分为早哥白尼世地层(C_1)、中哥白尼世地层(C_2)和晚哥白尼世地层(C_3),通过对各世典型撞击坑的分析与研究,阐述了哥白尼纪各世地层的特征,为开展月球晚期撞击作用特征与效应的研究提供了资料。对哥白尼纪-爱拉托逊纪地层界限进行了初步探讨,提出月球年代学多源数据综合判别法方案,以重新厘定哥白尼纪年代下限。     

云海撞击盆地的恢复及其地质演化研究

研究月海撞击盆地,尤其是古老的月海撞击盆地,有助于深入认识月球乃至太阳系中两种动力学即内动力和外动力地质作用的演化过程,也是研究月球早期演化和现今状态的重要纽带。云海撞击盆地为古老的撞击盆地之一,形成于前酒海纪,在后期的内外动力地质作用下,盆地有很大程度的改造。为了恢复云海撞击盆地原貌,深入认识该地区的地质演化过程,本文利用了LRO宽角相机影像数据、LOLA地形数据和GRAIL重力数据等多种类型的遥感数据,开展了云海撞击盆地演化的研究。结果显示,云海盆地是由一次撞击事件形成,具中央隆起的三环结构的撞击盆地,三环直径分别约为740km、500km、340km,盆地中心约为16°W,21°S。云海撞击盆地事件破坏了该地区原始月壳结构,随后岩浆喷出或溢流充填在撞击盆地中形成云海,塑造了现今观察到的云海地形特征和重力异常特征。     

Analysis of mineral compositions and crater morphology on the Moon surface using Moon orbital satellite data

Analysing vertical and lateral distribution of minerals within an impact crater on lunar surface would aid in understanding the crustal compositions to a larger extent and provides clue about geological evolution of the Moon. The Chandrayaan-1 Moon Mineralogy Mapper (M³) and Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC) data have high spectral and spatial resolutions, which help in identifying the mineral compositions and morphological features of impact crater. Here we analyse mineral compositions and their correlations with crater morphology using M3 and LROC satellite data of Eijkman impact cater in SouthPole Atiken (SPA) basin. The result shows that low-Ca pyroxene (LCP) dominant rocks are identified on Central Peak (CP), Crater Floor (CF), Crater Wall (CW) and Crater Rim (CR). An olivine dominant rock is detected on the CW. Fe-Mg-spinel lithological unit is observed on the CF. The results implicate that, (i) Low-Ca pyroxene minerals could be from the lower crust during SPA main event; (ii) Presence of olivine and Fe-Mg-spinel lithology on the surface could be a later stage mafic intrusions or the lower-crustal material exposed on the surface due to major impacts.     

从新疆地学断面的成果讨论中国西北盆-山区的地壳构造演化

本文从新疆独山子-泉水沟地学断面的资料介绍了准噶尔盆地、天山、塔里木盆地和昆仑山等新疆南部不同地区的地壳结构构造，进而对中国西北盆-山地区地壳构造及演化的某些特征进行了探讨。提出：中国西部-盆山地区地壳构造运动发生的主要原因是地壳及上地幔的不均一性(包括结构构造的不均一性以及物质成分的不均一性)。强调了现代盆-山构造面貌虽然是新生代的产物，但其形成从中生代就已经开始，是一个延续的历史过程；但二者又有所不同，目前的盆-山构造格局已明显不同于中生代甚至古生代的盆-山构造面貌。     

青藏高原东北缘岩石圈密度与磁化强度及动力学含义

利用横贯柴达木盆地南北的格尔木—花海子剖面岩石圈二维P波速度结构以及地震波速度与介质密度之间的关系,建立了该剖面岩石圈二维密度结构与二维磁化强度的初始模型。依据重磁同源原理,在柴达木盆地重、磁异常的二重约束下完成了重磁联合反演,获得了该剖面岩石圈二维密度结构与二维磁化强度分布。结果表明:柴达木盆地地壳厚度沿测线变化较大,平均厚度约60km。在柴达木盆地南缘地壳厚约50km,达布逊湖附近地壳最厚为63km左右,大柴旦附近地壳较薄,为50km左右。柴达木盆地的地壳纵向上可分为三层,即上地壳、中地壳与下地壳。位于盆地中部的中、下地壳分别发育大范围的壳内低密度体,并处于上地幔隆起的背景之上;横向上可将盆地分成南北两个部分,分界在达布逊湖附近。整个剖面结晶基底埋深变化也很大,在达布逊湖附近为12km,在昆仑山北缘基底几乎出露地表。结晶基底的展布形态与地壳底界,即莫霍面呈近似镜像对称。综合研究认为,柴达木盆地的岩石圈结构存在着明显的南北差异,其分界在达布逊湖的北面。在盆地南部,岩石圈介质横向变化较小,各层介质分布正常;在盆地的北侧,岩石圈结构特别在中、下地壳和上地幔顶部横向上发生了变化。壳内低密度体的存在意味着柴达木盆地具有较热的岩石圈和上地幔,加之基底界面与莫霍面的镜像对称分布,形成与准噶尔盆地和塔里木盆地的构造差异。多种地球物理参数所揭示的地壳上地幔结构及其横向变化特点为柴达木盆地构造演化及青藏高原北部边界的地球动力学研究提供了岩石圈尺度的地球物理证据。     

金沙江转换断层沉积盆地

金沙江断裂带位于青藏高原的东部(这里说的金沙江是指流经西藏和四川分界线的一段)。笔者认为,该断裂带是一条近南北走向的古代转换断层。在这个断裂带内,存在一个二叠纪—中三叠世的转换断层沉积盆地。这个古盆地里面的岩浆和沉积建造部分保存到今天。     

柴达木盆地北缘东段托莫尔日特似蛇绿岩岩石组合特征

出露于柴达木盆地北缘加里东裂谷带东段托莫尔日特地区的一套酷似蛇绿岩的岩石组合 ,其地质、地球化学特征显示它们并不具备洋壳性质 ,而应为形成于陆壳内的 ,即没有洋壳出现的陆缘裂谷环境下的一种似蛇绿岩组合。提出了与蛇绿岩不同的动力学形成模式 ,所讨论的似蛇绿岩可能是并无洋壳出现的陆缘裂谷的较典型代表。     

新疆蛇绿岩带的分布、特征及研究新进展

新疆位于亚洲大陆的北部,构造上跨越了古亚洲和特提斯两大构造域,现今主要由中新生代盆地和其间的古生代造山带组成。古生代造山带主要由陆缘岩系和岩浆岩组成,其中夹有洋壳残片和前寒武结晶基底的碎块;洋壳残片从北向南大致分布12条,其中出露较集中的约30多处。这些蛇绿岩,以塔里木盆地为界,北部主要为古亚洲洋的洋壳残片,南部主要为特提斯洋的洋壳残片。在介绍其基本特征的同时,本文侧重报道了近年来新疆区域地质调查的一些成果。     

磷氢化物是磷的主要迁移形式

磷氢化物形成于还原性的富氢环境。通过陨石及月岩矿物成分、内生矿床磷矿物成分、磷的共伴生矿物特征的研究以及地球是氢的储库等相关问题的探讨 ,认识到磷及其合金氢化物 ,随岩浆、热液、热气迁移至地表浅部 ,由于减压、降温 ,氧逸度增加 ,Eh值增大 ,H2 逃逸、氧化 ,氢化物氧化分解 ,形成磷矿物并在长期地质事件中叠加 ,富集成磷矿床     

CO_2脱沥青作用形成重油油藏的一个实例

气体的脱沥青作用是引起油藏变稠或形成沥青垫的因素之一。对苏丹ME盆地某古近系稠油油藏的地质特征、原油物性、原油溶解气组分和地球化学特征进行分析,结果显示:原油普遍具有高沥青质、高含蜡、高凝固点、高酸值和低含硫的特点;原油溶解气中CO2含量的变化与原油API度具有正相关关系;含油包裹体中含有较多的CO2。结果表明气体溶解在原油中产生的脱沥青作用是引起该油藏密度变大的主要原因;而且气体主要是无机成因的CO2,来源于邻近油藏的沟通地幔的深断裂。     

Moon—An albite depleted giant Skaergaard?

The chemical composition of 2188 terrestrial igneous rocks ranging from ultrabasic to granitic composition was analyzed statistically using the method of factor analysis (principal components). The resultant first and second factors were: $$\begin{gathered} {\text{ }}F_1 = 0.933{\text{ Na}}_{\text{2}} {\text{O + 0}}{\text{.143 SiO}}_{\text{2}} + 0.206{\text{ K}}_{\text{2}} {\text{O}} - 0.346{\text{ CaO}} - 0.263{\text{ MgO}} - \hfill \\ .203{\text{ FeO}} \pm \cdot \cdot \cdot \hfill \\ {\text{ }}F_2 = 0.979{\text{ Al}}_{\text{2}} {\text{O}}_{\text{3}} - 0.269{\text{ MgO}} - 0.151{\text{ SiO}}_{\text{2}} - 0.112{\text{ FeO}} \pm \cdot \cdot \cdot \hfill \\ \end{gathered} $$ where oxides are in weight percent. A plot of the first factor against the second results in a useful igneous variation diagram. When the compositions of the 2188 terrestrial rocks and 604 lunar rocks are plotted on this diagram, the two groups of rocks are clearly separated within an albite-anorthite-forsterite-fayalite-quartz polygon. None of the terrestrial differentiation trends are significant for lunar rocks. The major difference in the chemistry of lunar and terrestrial rocks lies in the former being albite poor. Removal of most of the albite from the compositions of terrestrial layered intrusives such as the Skaergaard results in an excellent match between the compositions of the two groups of rocks. Albite subtracted compositions of Skaergaard rocks in particular cover the entire range of chemical variation in the lunar rocks. The statistical results prompt us to speculate further on the similarity of the moon and Skaergaard. We note that the average composition of the moon (Wanke et al., 1974) is similar to the albite subtracted composition of the Skaergaard magma. The lunar crust and a significant part of the lunar interior may match the albite subtracted and somewhat Mg enriched Skaergaard magma.