Nature Astronomy:嫦娥四號揭密月球背面淺層精細結構和演化歷史

2020-11-24 騰訊網

張金海等-NA：嫦娥四號揭密月球背面淺層精細結構和演化歷史

月球很早就停止了大規模構造活動，較完整地保留了天體撞擊的痕跡，是研究行星早期演化歷史的理想場所。撞擊作用會深刻地改造原始的月殼物質，是月面物質大規模運移的重要動力，影響範圍可達幾百乃至上千公裡。探測月球淺層結構是深入認識月球撞擊和火山噴發等歷史的關鍵，對於月球環繞探測、著陸巡視探測和採樣返回等均具有重要意義。

然而，目前為止，人類對月球淺層精細結構的認識仍十分有限。阿波羅任務在月表鑽取了月壤巖芯，但深度僅為2 m左右，且鑽孔數目有限，難以反映月壤的橫向變化規律；阿波羅17號和月亮女神號搭載了星載雷達，但其空間分辨較低，無法分辨月壤和濺射物等構成的淺層精細結構；月震波、微波、地形地貌以及小撞擊坑濺射物光譜分析等，也只能間接獲取月表淺層結構的一些粗略特徵。

嫦娥四號是人類歷史上首次成功著陸於月球背面的探測器，其著陸點位於月球上最大、最古老的撞擊盆地：南極-艾肯盆地（圖1）。嫦娥四號著陸器和巡視器上搭載了諸多科學探測儀器，可以實現對月面物質成分和淺層結構的原位探測。玉兔二號月球車搭載了測月雷達，它能夠獲得月球車路徑下方的地質剖面，揭示地下的分層結構。由於測月雷達直接基於月面進行探測，因此，其探測到的反射信號能量大，特徵清晰，效果遠優於距地面100 km以上的星載雷達探測，而且，由於採用了遠高於星載雷達5 MHz的主頻，其解析度優勢也十分明顯。測月雷達兩個通道的主頻分別為60 MHz和500 MHz，空間分辨分別為10 m和0.3 m，探測深度分別約50 m和500 m。高頻通道用於探測淺部月壤及其下伏濺射物的高分辨結構，低頻通道用於探測深部的濺射物和玄武巖等分層結構。

圖1嫦娥四號著陸區地理位置及玉兔二號月球車行動軌跡

中國科學院地質與地球物理研究所，聯合電子所、澳門科技大學、國家空間科學中心、遙感與數字地質所、西安光學與精密機械所、光電研究院、地球化學所以及北京空間機械等科研團隊和載荷研製團隊，對玉兔二號前三個月晝的雷達探測數據開展了深入研究，獲得了著陸區月壤和淺層結構的重要發現和認識。基於低頻雷達信號特徵，如圖2所示，將著陸區的淺層結構劃分為三大基本單元，由上往下依次為強反射單元（單元1）、弱反射單元（單元2）和中等反射單元（單元3）。結合區域地質和大型撞擊坑的空間分布等基本約束，地質解譯結果如下：單元1（總厚度約130 m）為臨近多個撞擊坑的濺射物堆積（包括芬森、阿爾德、馮·卡門 L和L』等撞擊坑）和底部的玄武巖角礫層；單元2（總厚度約110 m）為多次噴發的玄武巖層；單元3（厚度不小於200 m）為著陸區北部萊布尼茲撞擊坑（直徑～245 km）的濺射物。高頻雷達信號進一步給出單元1上部的精細結構，如圖3所示，其特徵為頂部存在厚達12 m的月壤層，基本不含大石塊，其下為厚達22 m的條帶狀濺射物，它們均是來自芬森撞擊坑的拋射物，總厚度達34 m。

圖2測月雷達低頻通道的探測剖面及解譯結果

圖3 測月雷達高頻通道的探測剖面及解譯結果

測月雷達所獲取的淺層結構剖面清楚地表明玉兔二號所探測的月面物質來自於芬森撞擊坑，而不是來自馮·卡門撞擊坑自身的充填玄武巖；同時，該雷達剖面還揭示了著陸區經歷了多期次的撞擊濺射堆積和多期次玄武巖漿噴發充填。這些新發現對於認識月球南極-艾肯盆地的演化具有非常重要的意義，對於月球內部物質組成和結構的後續探測與研究有重要的指導作用。

校對：陶琴

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