研究揭示月球西北雨海地區地質構造與成分特徵

直徑1200 km的雨海是月球重要的地區，其形成年齡是月球定年的時標，其地質特徵對於認識月球的演化具有重要意義。我國嫦娥三號月球探測器著陸於雨海西北部並開展巡視探測。為更好地科學解譯嫦娥三號巡視探測數據，非常有必要從宏觀上認識著陸區地質特徵。中國科學院行星科學重點實驗室、中科院紫金山天文台研究員吳昀昭團隊與美國布朗大學、俄羅斯科學院維爾納茨基地球化學與分析化學研究所組成的國際團隊聯合對雨海西北部開展了系統性研究，獲得了多項成果及新認識，以長文形式發表在Icarus (2018, 303：67-90)，並被選為封面文章。

紫台領銜的國際團隊基於我國嫦娥一號干涉成像光譜數據及元素分布圖、印度月船一號高光譜數據（M3）、美國LRO衛星激光測高儀(LOLA)、廣角相機（WAC）、高解析度窄角相機（NAC）、地基雷達數據、LP伽馬射線譜儀等大量先進數據，對月球西北雨海地區地質構造與成分進行了深入分析，取得了如下科學成果：

1. 釐定了地質年齡。確定了虹灣盆地的形成年齡為3.8 Ga，從而支持了雨海盆地形成年齡為3.85 Ga的觀點。

2. 繪製了詳細地質圖。該地質圖內容豐富，包含了詳細的玄武岩地層單元、月溪、火山口、月脊、斷裂、玄武岩流鋒面等（圖1）。與過去基於光譜色調劃分的地質圖相比，該地質圖結合了地形數據和熱輻射數據，劃分更為準確。不同期次的晚期玄武岩色調一樣，基於光譜色調的傳統地層劃分方法將他們劃分為同一地層，利用高解析度地形數據和熱輻射數據清晰顯示不同地層的玄武岩流動鋒面。地質圖也標記出共計38條月溪，比過去的月溪資料庫多出22條。根據玄武岩流動鋒面是否清晰可見，將持續時間最長的愛拉托迅紀玄武岩細分為上愛拉托迅紀（UEm）和下愛拉托迅紀（LEm），並確定了劃分時間為2.3 Ga。

3. 定義了新類型的高地——鐵鎂質高地。過去通常認為月球高地的成分較為簡單，其礦物成分主要為斜長石。新研究發現環雨海高地與月球背面典型的斜長岩高地截然不同，具有升高的鐵、鈦及放射性元素，識別出廣泛分布的橄欖石、斜方輝石等鐵鎂質礦物，還首次明確發現了橄長岩（圖2）。提出了鐵鎂質高地（MH）的概念並推測其成因。

4. 繪製了玄武岩厚度分布圖。針對各期次晚期玄武岩暴露情況的差異，分別利用地形剖面分析法和月坑挖掘深度法對其厚度和體積進行了詳細研究，獲得了高解析度厚度分布變化圖（圖3）。上愛拉托遜紀地層（UEm）厚度為13–33 m，它們由多期噴發疊置而成。其中，單層熔岩流的厚度為11±4 m。下愛拉托遜紀地層（LEm）厚度為14.49–43.61 m。嫦娥三號著陸區是下愛拉托遜紀地層，其厚度為40 m。估算出研究區晚期玄武岩體積為~3448 km3，遠低於前人的估計值。其中，UEm玄武岩出露體積佔LEm玄武岩出露體積的比例

5. 提出了M3數據礦物識別方法。M3數據是當前研究月球礦物的主要數據，然而其長波段受熱輻射影響嚴重。以前文獻對M3數據進行連續統去除時，最長端元波段通常隨意指定。然而，這種隨意指定存在很大誤差。科研人員系統研究了適合M3數據的連續統去除方法，並對比了不同光學周期M3數據的差異，揭示了不同的連續統去除方法對礦物吸收中心的影響，向用戶建議了適合M3數據的連續統去除方法。

6. 獲得了玄武岩礦物組成。通過提出的礦物成分遙感識別方法，結合詳細劃分的地質圖，獲得了雨海北部礦物組成。包括嫦娥三號著陸區在內的晚期玄武岩富含橄欖石，早期的雨海紀玄武岩富輝石且其Ca含量比月球樣品含量偏低。周邊高地成分富斜方輝石。

7. 識別出大量年輕構造。對整個雨海進行了月脊製圖。根據形態提出將月脊分為三類。雨海盆地周邊月脊都十分古老，年輕月脊都分布在內部，其中在嫦娥三號著陸區附近識別出大量年輕月脊，根據與Apollo著陸區撞擊坑年齡對比確定其年齡

8. 推測嫦娥三號著陸區年輕玄武岩的起源。過去普遍接受的觀點認為，該玄武岩起源於雨海南部的歐拉山附近，玄武岩流動1200 km。研究工作根據地形數據、光譜分析及火山、月溪分布情況，認為嫦娥三號著陸區所在的年輕玄武岩並非起源於南部歐拉山，而是起源於虹灣西南部，該處密布火山口和月溪，玄武岩流動方向為自西向東（圖5）。

綜合上述物質成分、地質年齡、噴發體積、地層劃分等綜合性研究，研究工作獲得以下新認識：大約4.5 Ga前，月球岩漿岩固化後形成分異的月球，最表層為富斜長岩質的月殼，隨著深度加深，物質成分逐漸富鐵鎂質。大約3.85 Ga雨海盆地形成，表層斜長岩月殼被剝離，暴露了下部的富鐵鎂質物質。大約在雨海盆地形成50 Ma後，虹灣盆地形成。隨後的幾百個Ma，雨海盆地被玄武岩逐漸充填。雨海盆地在愛拉托遜紀充填了富鐵、富橄欖石的光譜獨特的年輕玄武岩。

早期的愛拉托遜紀玄武岩噴發大約發生在3.02 Ga，主要發生在雨海邊緣部位，在當前的月表圖像上呈現為離散的片狀。自2.69 Ga始，愛拉托遜紀主體玄武岩噴發，直到1.99 Ga停止。雨海最年輕的上愛拉托遜紀玄武岩起源於南部歐拉坑附近。而下愛拉托遜紀源區出現在雨海北部，該區存在大量火山機構（月溪、火山口、玄武質碎片），與Schaber建議的南部源區不同。在晚期玄武岩噴髮結束後，大量月溪形成。最後雨海演化由火山演化進入了構造演化階段，形成了大量月脊，這些月脊隨著時間逐步變大，最年輕的月脊（

圖1.雨海北部地質圖

圖2.（a）雨海北部M3 積分吸收深度圖（R-1μm 吸收面積；G-2μm 吸收面積；B-1.5μm 反射率）。亮青色為輝石，紫紅色為橄欖石。新鮮暴露面（箭頭所示）展示了鐵鎂質吸收。（b）和（c）為新鮮暴露的光譜，展示了斜方輝石、橄欖石，其中（b）為在雨海北部高地發現的橄長岩。作為對比，m38 是玄武岩新鮮坑光譜，富單斜輝石。

圖3.雨海晚期玄武岩厚度分布圖

圖4.雨海年輕月脊分布

圖5.嫦娥三號著陸區流動方向示意圖.實線箭頭為過去的建議，虛線箭頭為本文建議。

來源：中國科學院紫金山天文台

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