作者:林杨挺等 来源:PNAS 发布时间:2015/4/16 13:00:21
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“玉兔”揭雨海火山活动史

 

4月13日,美国《国家科学院院刊》刊发了由中国科学院地质与地球物理所研究员林杨挺带领的“嫦娥三号”科学应用核心团队,对我国“玉兔”月球车探测数据深入研究的最新研究成果,并作为其封面文章刊登。该文指出,“玉兔”月球车搭载的测月雷达、可见-近红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪获取的探测数据揭示了月球在晚至25亿年左右仍存在大规模的火山喷发,可能与该区域非常富集放射性元素有关,月壤的厚度也可能明显高于以往的估算。这些成果对认识月球雨海地区火山活动的历史,帮助人们进一步理解月球的演化有着重要的科学意义。

2013年12月14日,我国的嫦娥三号探测器在月球雨海盆地北部(图1)成功着陆,随后嫦娥三号开启了着陆器就位探测和“玉兔”月球车巡视探测。为了推动我国月球探测工程的科学研究,“出好成果、快出成果、多出成果”,中科院启动院重点部署项目“嫦娥三号探测数据科学应用研究”。于2013年9月在嫦娥三号发射前夕,由中国科学院月球与深空探测总体部动员并组织院内外科学家,成立了5个核心团队,围绕嫦娥三号就位探测所获取的科学数据,开展科学应用研究。由林杨挺研究员带领的“嫦娥三号任务月球区域地球化学与构造动力学演化模型”团队就是其中之一。

林杨挺介绍,“玉兔”月球车携带有全景相机、测月雷达、可见-近红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪四台科学载荷。在正常工作的两个月昼内,玉兔一共对月壤进行了2次粒子激发X射线谱分析和4次可见-近红外成像光谱分析,并获取了1条百米左右长度的测月雷达剖面(图2)。

该核心团队综合处理和解译了月球车测月雷达、可见-近红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪获取的科学探测数据,最终获得了着陆区月壤的化学组成、矿物组成、月壤和月壳的浅表结构等重要数据,从而揭示出雨海地区火山活动的历史。这些就位探测的结果还可用于绕月探测数据的标定。

图1 月球雨海盆地和嫦娥三号着陆区位置。嫦娥三号着陆区位于月球雨海盆地北部年龄为

25亿年左右的玄武岩流(深黑色)之上,距北部较老的低铁和钛玄武岩(亮灰)仅10公里左右。

图2 嫦娥三号着陆区和玉兔号月球车探测轨迹。A和B是着陆区内两个较大的撞击坑。红色五角星代表嫦娥三号着陆位置,黑色线条为玉兔号的探测轨迹。LS1和LS2分别指示2次粒子激发X射线谱分析位置,CD5-8指示4次可见-近红外成像光谱分析位置。

首次获得就位探测的月壤化学组成

利用粒子激发X射线谱仪,研究人员获得了着陆区月壤的主量和微量元素组成。中国科学院地质与地球物理所副研究员杨蔚介绍,粒子激发X射线谱仪搭载在“玉兔”的机械臂上,它可以用于探测月壤和月岩的化学成分。

为了更准确地计算“玉兔”测量的月壤化学成分,他们在实验室对10个岩石标准样品进行了多次定标实验,并在此基础上建立了完整的数据处理流程。

杨蔚表示,粒子激发X射线能谱获得了月壤中包括镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、钙(Ca)、钛(Ti)、钾(K)、铬(Cr)、铁(Fe)、锶(Sr)、钇(Y)、锆(Zr)和铌(Nb)在内的12个元素含量,其中后4种为微量元素,其含量不到万分之2(表1)。

不仅如此,他们还将其测量结果与“阿波罗”在其他月海地区获取的月壤样品进行了对比研究,发现嫦娥三号着陆区月壤含有高的Fe和Ti,低的Al。说明下覆的玄武岩是一种新的类型。次要元素K和微量元素Zr、Y和Nb的含量,以及它们之间的比值关系,表示该玄武岩可能混入了10-20%的克里普组分。

杨蔚解释,克里普组分高度富集钾(K)、稀土(REE)和磷(P),代表月球岩浆洋结晶最后残留的熔体。因此,该玄武岩很可能是由富铁和钛的月幔源区部分熔融形成,然后在上侵过程中受到克里普岩层的混杂,最后溢出月表充填到雨海盆地。

表1粒子激发X射线谱仪测得的月壤化学组成

Sample name LS1 ± LS2 ±

SiO2 42.8 43.2

MgO 9.9 1.5 8.9 1.9

Al2O3 11.5 0.9 10.5 1.0

K2O 0.18 0.01 0.15 0.01

CaO 10.4 0.3 10.9 0.4

TiO2 4.0 0.2 4.3 0.2

FeO 21.3 1.7 22.1 1.9

Total 100.0 100.0

 

Cr (ppm) 877 162 825 161

Sr (ppm) 139 19 198 29

Y (ppm) 34 10 54 13

Zr (ppm) 200 26 168 49

Nb (ppm) 13 2 14 10

* in wt%, normalized to 100 wt%. LS1: lunar soil 1; LS2: lunar soil 2.

解密月壤的矿物组成及光学成熟度

根据月壤的光谱数据解译出矿物组成和光学成熟度。这一成果由中科院地质与地球物理所副研究员胡森与团队其他成员共同完成。

胡森介绍,可见-近红外光谱仪安装在“玉兔”的前端,主要用于获取着陆区表面月壤和暴露岩石的可见-近红外光谱。

“光谱数据一直是解译天体表面主要矿物组成的最有效手段。”胡森表示,可见-近红外成像光谱仪在450-945 nm波段以图像模式对月表进行光谱成像探测,其空间分辨率约0.6 mm每像素;在900-2400 nm波段以光谱模式对月表进行探测。

与以往的环绕探测相比,“玉兔”在月球表面就位探测具有最高的空间分辨优势,但是,同时也受到了观测角度和表面粗糙度的影响,表现出明显的阴影效应。胡森与其他团队成员提出了有效校正阴影效应的方法,较好地解译了“玉兔”的光谱数据,获得月壤的铁和钛含量、矿物组成和光学成熟度。

胡森说,“玉兔”获得的月壤光谱具有典型的月海月壤特征,其反射率明显低于高地月壤,并具有典型的月球太空风化特征。此外,月球车四个探测点的光学成熟度有明显的变化,“靠近着陆器的方向,月壤的光学成熟度和反射率呈现增大的趋势,可能是软着陆时降落火箭吹走了最表面的覆盖层所致。”

探秘月壤内部

嫦娥三号“玉兔”月球车搭载了测月雷达,这是人类探月以来首次在月球表面直接进行雷达探测。为了更好地研究测月雷达的探测数据,林杨挺邀请了该所从事地震研究的副研究员张金海加盟他们的研究团队。

林杨挺介绍,测月雷达通过在月表激发电磁脉冲,利用天线接收来自于月表以下电磁属性差异界面的反射电磁波,进而探测月壤和浅表月岩的分层结构,“这与地震波的探测原理其实是相似的。”

“玉兔”携带的测月雷达有两个工作频率:高频通道的工作频率为500 MHz,有效探测深度为数十米,垂向分辨率优于30厘米;低频通道的工作频率为60 MHz,有效探测深度为数百米,垂向分辨率为米级。

张金海与团队其他成员一起,采用地震勘探领域发展的瞬时频谱分析和偏移成像等信号处理技术实现了测月雷达数据的精细分析和处理,获得了可靠的月壤深度和月壳浅表结构等关键数据。

张金海介绍,根据对月壤的现有知识,他们建立了一个月壤模型,然后利用偏移成像技术对月壤结构进行扫描,发现月壤表面存在一层比较均匀的“月尘”层,其厚度约为0.7米,该结果同美国“阿波罗”计划在月表所取得的钻孔岩芯很相似。此外,利用偏移成像和时频分析准确地测出了月壤基底的深度和起伏形态。

图3探月雷达高频通道获取的着陆区月壤剖面。黑色粗线为上层细粒“月尘”层底界,红色曲线为月壤的底界面,空心圆点为时频分析给出的月壤与基岩分界点。虚线为5米深度。

月壤厚度超预期

早在嫦娥一号任务中,我国就把“探测月壤特性,研究月表年龄和演化,以及估算月壤中氦3的分布和资源量”作为了四大科学目标之一。在嫦娥三号任务中,“月表物质成分和

可利用资源调查”同样被列为三大科学目标之一。

林杨挺认为,月壤主要是由小行星或彗星不断撞击月表而形成,它记录了月球的小行星撞击历史,记录并捕获了大量的太阳风等资源,是氦-3和氢的最重要载体。月壤直接记录了月球表面的演化历史,对于未来开发月球资源具有十分重要的意义。

然而,在嫦娥三号任务之前,人们只能根据撞击坑形态、微波遥感亮温和月震仪数据等估算月壤的厚度,例如,嫦娥一号任务就是利用微波辐射计来开展月球表面的微波辐射探测。

“这些方法的共同缺点是精度低,可靠性差,不同方法得到的结果差异很大。”林杨挺表示。在月面利用反射雷达探测月壤是精确测定月壤厚度的最好方法,是一种直接测量的结果,从而更加可靠地估算月壤总量及其所携带的资源量。

此次通过对“玉兔”月球车测月雷达数据的分析研究,研究人员对月壤的厚度做出了相当大的修正。“前人估算月海区域的月壤厚度约为2~4米,该区域因为年轻,其月壤厚度应该更小,但实际探测结果是,玉兔月球车轨迹下方的月壤平均厚度为5米左右(图3)”林杨挺说。这表明,前人明显低估了月壤的厚度。

月球在晚年仍可很活跃

本项研究的另一重要成果是,研究人员利用测月雷达在深部探测到的3个界面,得到了3套玄武岩的厚度,其中最晚一期玄武岩厚达195米(图4),表明月球岩浆活动的晚期(约25亿年前),仍存在巨量的玄武岩浆喷发。前人认为,月球在39亿年左右可能经历了高强度的小行星轰击阶段,形成了月面上大大小小的盆地,然后在38-31亿年间被玄武岩浆所充填。此后,月球进入晚年,岩浆活动趋于停止。但这次玉兔的探测表明,雨海地区的火山活动在晚至25亿年仍然相当强烈。根据粒子激发X射线谱仪的结果,这些晚期形成的玄武岩很可能是由富Fe-Ti的月幔源区部分熔融形成的,并在上侵过程中受到位于月壳底部极富集放射性元素、稀土和磷等元素的克里普岩层的混杂。

图4 探月雷达低频通道获得的月壤下覆玄武岩层的剖面,在195米、215米、345米可见明显的反射界面。(来源:科学网 张巧玲)

 
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