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张金海等-NA:嫦娥四号揭密月球背面浅层精细结构和演化历史
2020-09-08 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  月球很早就停止了大规模构造活动,较完整地保留了天体撞击的痕迹,是研究行星早期演化历史的理想场所。撞击作用会深刻地改造原始的月壳物质,是月面物质大规模运移的重要动力,影响范围可达几百乃至上千公里。探测月球浅层结构是深入认识月球撞击和火山喷发等历史的关键,对于月球环绕探测、着陆巡视探测和采样返回等均具有重要意义。 

  然而,目前为止,人类对月球浅层精细结构的认识仍十分有限。阿波罗任务在月表钻取了月壤岩芯,但深度仅为2 m左右,且钻孔数目有限,难以反映月壤的横向变化规律;阿波罗17号和月亮女神号搭载了星载雷达,但其空间分辨较低,无法分辨月壤和溅射物等构成的浅层精细结构;月震波、微波、地形地貌以及小撞击坑溅射物光谱分析等,也只能间接获取月表浅层结构的一些粗略特征。 

  嫦娥四号是人类历史上首次成功着陆于月球背面的探测器,其着陆点位于月球上最大、最古老的撞击盆地:南极-艾肯盆地(图1)。嫦娥四号着陆器和巡视器上搭载了诸多科学探测仪器,可以实现对月面物质成分和浅层结构的原位探测。玉兔二号月球车搭载了测月雷达,它能够获得月球车路径下方的地质剖面,揭示地下的分层结构。由于测月雷达直接基于月面进行探测,因此,其探测到的反射信号能量大,特征清晰,效果远优于距地面100 km以上的星载雷达探测,而且,由于采用了远高于星载雷达5 MHz的主频,其分辨率优势也十分明显。测月雷达两个通道的主频分别为60 MHz500 MHz,空间分辨分别为10 m0.3 m,探测深度分别约50 m500 m。高频通道用于探测浅部月壤及其下伏溅射物的高分辨结构,低频通道用于探测深部的溅射物和玄武岩等分层结构。 

1 嫦娥四号着陆区地理位置及玉兔二号月球车行动轨迹

  中国科学院地质与地球物理研究所,联合电子所、澳门科技大学、国家空间科学中心、遥感与数字地质所、西安光学与精密机械所、光电研究院、地球化学所以及北京空间机械等科研团队和载荷研制团队,对玉兔二号前三个月昼的雷达探测数据开展了深入研究,获得了着陆区月壤和浅层结构的重要发现和认识。基于低频雷达信号特征,如图2所示,将着陆区的浅层结构划分为三大基本单元,由上往下依次为强反射单元(单元1)、弱反射单元(单元2)和中等反射单元(单元3)。结合区域地质和大型撞击坑的空间分布等基本约束,地质解译结果如下:单元1(总厚度约130 m)为临近多个撞击坑的溅射物堆积(包括芬森、阿尔德、冯·卡门 LL’等撞击坑)和底部的玄武岩角砾层;单元2(总厚度约110 m)为多次喷发的玄武岩层;单元3(厚度不小于200 m)为着陆区北部莱布尼兹撞击坑(直径~245 km)的溅射物。高频雷达信号进一步给出单元1上部的精细结构,如图3所示,其特征为顶部存在厚达12 m的月壤层,基本不含大石块,其下为厚达22 m的条带状溅射物,它们均是来自芬森撞击坑的抛射物,总厚度达34 m 

2 测月雷达低频通道的探测剖面及解译结果

3 测月雷达高频通道的探测剖面及解译结果

  测月雷达所获取的浅层结构剖面清楚地表明玉兔二号所探测的月面物质来自于芬森撞击坑,而不是来自冯·卡门撞击坑自身的充填玄武岩;同时,该雷达剖面还揭示了着陆区经历了多期次的撞击溅射堆积和多期次玄武岩浆喷发充填。这些新发现对于认识月球南极-艾肯盆地的演化具有非常重要的意义,对于月球内部物质组成和结构的后续探测与研究有重要的指导作用。 

  研究成果发表于国际权威学术期刊Nature Astronomy。(Zhang J, Zhou B, Lin Y*, et al. Lunar regolith and substructure at Chang'E4 landing site in South PoleAitken basin[J]. Nature Astronomy, 2020)(原文链接)(全文链接)。中科院地质与地球物理研究所张金海研究员、中科院空天信息创新研究院周斌研究员和澳门科技大学祝梦华副教授为共同第一作者,中科院地质与地球物理研究所林杨挺研究员为通讯作者。本研究得到中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDJ-SSW-DQC001)、国家自然科学基金 (4149063141941002)、澳门科学技术发展基金会(项目编号0079/2018/A2)、北京市科委(Z181100002918003)和国家航天局民用航天技术预研项目(D020201-D020202)等联合资助,相关探测数据由国家航天局提供。
 
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