月球的構(gòu)造格架及其演化差異

劉建忠，郭弟均，2，籍進(jìn)柱，2，劉敬穩(wěn)，2，王慶龍

(1.中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心，貴陽 550002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100014；3.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061)

月球的構(gòu)造格架及其演化差異

劉建忠1，郭弟均1，2，籍進(jìn)柱1，2，劉敬穩(wěn)1，2，王慶龍3

(1.中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心，貴陽 550002；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100014；3.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061)

根據(jù)以GRAIL重力場(chǎng)數(shù)據(jù)和LOLA地形數(shù)據(jù)計(jì)算的月殼厚度，將月球構(gòu)造格架初步劃分為三個(gè)構(gòu)造單元：主要覆蓋月球正面風(fēng)暴洋區(qū)域的月海構(gòu)造單元、主要覆蓋月球背面高地的月陸構(gòu)造單元以及主要位于南半球背面的南極艾肯盆地構(gòu)造單元。結(jié)合最新的研究成果，對(duì)各構(gòu)造單元上的重大地質(zhì)事件包括巖漿事件、火山事件和撞擊事件分別進(jìn)行了簡(jiǎn)單的梳理，結(jié)果表明月球不同構(gòu)造單元的演化事件具有明顯的差異。

月球；構(gòu)造格架；地質(zhì)演化

0 引 言

在地球上，通過對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的研究，可以掌握不同尺度構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)生、發(fā)展和終止過程，了解這一過程對(duì)地球形貌、礦產(chǎn)資源、環(huán)境和生物演化等產(chǎn)生的影響。在以月球研究為代表的行星地質(zhì)學(xué)研究中，盡管研究方式和手段有很大的區(qū)別，但通過對(duì)行星地質(zhì)-構(gòu)造現(xiàn)象的研究，同樣有助于了解行星的形成、結(jié)構(gòu)和演化以及與地球的關(guān)系。特別地，月球的演化在30億年前已基本終結(jié)，因此月球形成之初的歷史在月球上被較好地保留下來了，而這一段演化歷史在地球上的記錄已經(jīng)被抹殺殆盡。另一方面，正是因?yàn)樵虑虮Ａ袅嗽缙诘刭|(zhì)演化的記錄，所以月球也同時(shí)保留了太陽系撞擊事件發(fā)生發(fā)展的整部歷史。因此，月球地質(zhì)-構(gòu)造格架及其演化歷史的研究可以為太陽系演化的兩種動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行示范，即月球的撞擊事件可以反映外動(dòng)力地質(zhì)作用的過程，而月球巖漿洋演化與月殼形成以及后期巖漿和火山作用的過程可以反映內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用的過程。這些重要的地質(zhì)過程，不僅是形成月球的主要過程，也是太陽系其他類地行星形成的過程，對(duì)月球和行星后期演化起到重要的制約作用。通過對(duì)月球不同大地構(gòu)造單元進(jìn)行劃分并對(duì)地質(zhì)-構(gòu)造演化序列進(jìn)行梳理，可以科學(xué)地探討初始形成的月球整體格局對(duì)月球后期演化的制約效應(yīng)。

盡管后阿波羅時(shí)代已經(jīng)有了越來越豐富的月球探測(cè)數(shù)據(jù)，覆蓋范圍已越過月球正面包含全月，但人們對(duì)月球構(gòu)造的認(rèn)識(shí)還是以小尺度構(gòu)造單元為主，主要包括了線性構(gòu)造如月谷、月嶺、月溪、斷裂等[1-2]，環(huán)形構(gòu)造如撞擊坑、撞擊盆地、月海穹窿等[1，3-5]，以及其它構(gòu)造如水平平移斷層-走向滑移斷層[6]、放射狀斷裂和格子構(gòu)造[7]等。目前我們已經(jīng)對(duì)月表精細(xì)的構(gòu)造要素有了比較全面的認(rèn)識(shí)，但對(duì)月球的整體構(gòu)造格架認(rèn)識(shí)還有待完善。陳建平等(2012)[8]在對(duì)虹灣地區(qū)(LQ-4)進(jìn)行地質(zhì)填圖時(shí)，共識(shí)別并表達(dá)了3類環(huán)形構(gòu)造和10類線性構(gòu)造，對(duì)月球在全球范圍的構(gòu)造特征依然籠統(tǒng)地概括為月陸、月海的二分性。而Jolliffe等人(2000)[9]利用LP GRS的數(shù)據(jù)，將月球劃分為三大化學(xué)地體。但以構(gòu)造格架為對(duì)象的月球差異演化研究也主要停留在現(xiàn)象的描述上，只有少數(shù)力求揭示本質(zhì)的嘗試[10]。

隨著月球探測(cè)的深入開展，月球研究越來越多的成果表明，月球南半球背面的南極艾肯(South Pole-Aitken， SPA)盆地是一個(gè)與月陸構(gòu)造和月海構(gòu)造都有差別的特殊構(gòu)造區(qū)域。盡管SPA盆地直徑和挖掘深度都十分巨大，但是卻沒有與月海盆地類似的廣泛的玄武巖充填[11]，此外，該盆地形成時(shí)必定發(fā)生過規(guī)模巨大的撞擊事件，可能對(duì)月球的整體演化以及月球的軌道及空間位置都有一定的影響[12]。

因此，研究認(rèn)為南極艾肯盆地應(yīng)該作為一個(gè)獨(dú)立的大地構(gòu)造單元參與到月球的整體構(gòu)造格架中，并作為一個(gè)重要的研究區(qū)域參與到月球的差異性演化研究中。

1 月球的構(gòu)造格架

注：M：月海構(gòu)造單元，L：月陸構(gòu)造單元，S：南極艾肯盆地構(gòu)造單元。(a)、(b)均為簡(jiǎn)單圓柱投影，其中(a)的投影中心為(0°，0°)，(b)的投影中心為(100° W， 0°)。圖1 基于月殼厚度的月球構(gòu)造格架Fig.1 Moon’s tectonic framework based on lunar crust thickness

依據(jù)天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)月觀測(cè)數(shù)據(jù)的解譯分析，Β. Β. 科茲洛夫和Ε. Д. 蘇利季一康德拉季耶夫(2005)將月面劃分為高地和月海兩個(gè)構(gòu)造單元[13]。Ю. А. 霍達(dá)克(Ходак， Ю. А.， 1967)在《月球的全球構(gòu)造》中，認(rèn)為 “大陸”是月面上隆起的古老基底，“月海”則為下沉的、疊加在基底構(gòu)造上的洼陷。月球發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段：最古老的基底、古山系和各地的形成，月殼上部產(chǎn)生由深大斷裂分割而成的塊狀構(gòu)造；全月環(huán)形構(gòu)造，其中包括“月?！睅У男纬?；玄武巖型月殼上部和月球內(nèi)部物質(zhì)的強(qiáng)烈分異作用；沿著環(huán)形、弧形和直線形斷裂活動(dòng)帶形成小的環(huán)形單元一環(huán)形山[13]。1969年Apollo 11號(hào)把第一個(gè)月球測(cè)震儀放到了月球上，其后Apollo 12、14、16和17號(hào)又相繼把月震儀安置在月球上，組成了一個(gè)月球測(cè)震網(wǎng)，通過對(duì)人工和天然的月震數(shù)據(jù)進(jìn)行研究對(duì)月球內(nèi)部構(gòu)造有了新的認(rèn)識(shí)，確立了月球的圈層結(jié)構(gòu)，它包含一個(gè)主要由斜長(zhǎng)巖構(gòu)成的表面月殼[14]。由于演化的差異性，月殼的地形地貌、表面物質(zhì)成分、巖石類型、礦物組成以及構(gòu)造樣式等方面都存在廣泛的不均一性。

阿波羅時(shí)代的月震研究雖然已揭示了月球的圈層結(jié)構(gòu)，然而目前月震研究資料十分有限，只有Apollo時(shí)代建立的位于月球正面的觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，還無法反演出全月球的月殼厚度分布，而月球的重力場(chǎng)探測(cè)相比月震觀測(cè)更加可行，利用月球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)可以計(jì)算出月殼厚度模型[15]。因此，研究者把目光投向月球重力場(chǎng)探測(cè)，并結(jié)合地形數(shù)據(jù)得到整個(gè)月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

基于重力場(chǎng)的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究始于1966年前蘇聯(lián)發(fā)射的環(huán)月探測(cè)器Luna 10[16]，2011年9月NASA發(fā)射了GRAIL(重力回溯及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室)雙生探測(cè)器專門負(fù)責(zé)提供高分辨率的月球重力數(shù)據(jù)[17]。Wieczorek等(2013)[18]利用GRAIL重力場(chǎng)數(shù)據(jù)和LRO探測(cè)器的LOLA地形數(shù)據(jù)得到了平均月殼厚度為34～43 km的月殼厚度模型。從月殼厚度分布上看，月殼的構(gòu)造包含三個(gè)有明顯區(qū)分的構(gòu)造單元，如圖1所示，分別為月海構(gòu)造、月陸構(gòu)造以及南極艾肯盆地構(gòu)造。月海構(gòu)造主要覆蓋了月球正面風(fēng)暴洋區(qū)域，包含有月球上22個(gè)月海中除東海和莫斯科海的19個(gè)月海，巖石類型以月海玄武巖為主；月陸構(gòu)造主要包括月球的背面高地，巖石類型主要是亞鐵斜長(zhǎng)巖，但是東海和莫斯科海位于這個(gè)構(gòu)造單元中；南極艾肯盆地構(gòu)造主要由南極艾肯盆地構(gòu)成，是典型的盆地地貌組成的月球構(gòu)造單元。月殼厚度最高的是月陸構(gòu)造單元，平均值達(dá)到50.36 km；其次是月海構(gòu)造單元，平均月殼厚度為38.36 km；南極艾肯盆地構(gòu)造單元由于主要是南極艾肯盆地所在的區(qū)域，撞擊挖掘?qū)е滤脑職ず穸绕。骄禐?1.96 km(見表1)。然而月殼最薄的位置位于月陸構(gòu)造單元中的莫斯科海盆地，其次是月海構(gòu)造單元中的危海盆地[18]，其它月海盆地以及大型的撞擊盆地也都相對(duì)周圍具有更薄的月殼。

表1 基于月殼厚度劃分的月球各構(gòu)造單元面積和月殼厚度

Table 1 Area and lunar crust thickness of lunar units divided based on lunar crust thickness

構(gòu)造單元面積/km2最高值(月殼厚度)/km最低值(月殼厚度)/km平均值(月殼厚度)/km月海構(gòu)造單元2879048869943063836月陸構(gòu)造單元2247230280661045036南極艾肯盆地構(gòu)造單元831984354886413196

2 月球各構(gòu)造單元的演化事件

在月球形成以后，發(fā)生在月球上的重大地質(zhì)事件主要包括巖漿事件、火山噴發(fā)和撞擊事件，雖然在各構(gòu)造單元中都有發(fā)生，但在不同的區(qū)域中有明顯的差別，其地質(zhì)-構(gòu)造演化序列具有較大的差異。月球巖漿事件包括全球巖漿洋的結(jié)晶演化，后期月海玄武巖和非月海玄武巖的形成，主要發(fā)生在正面風(fēng)暴洋區(qū)域?；鹕絿姲l(fā)事件可以根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的火山碎屑巖沉積以及火山口判斷，在正面尤其是月海周圍分布較多。撞擊事件在月表分布范圍廣，在月球演化歷史中持續(xù)時(shí)間最久，對(duì)月表的改造最明顯，根據(jù)已掌握的資料，可能在月球正面的撞擊作用規(guī)模更大。

根據(jù)對(duì)已發(fā)表的月表巖漿巖石年齡的統(tǒng)計(jì)，月球巖漿事件大致可分為五期。第一期(45.2—42億年)，各構(gòu)造單元所在的區(qū)域均發(fā)生了巖漿洋分異，形成古老的斜長(zhǎng)質(zhì)月殼。第二期(42—38.5億年)，是巖漿繼續(xù)分異的時(shí)期，形成富鎂巖套深成巖、富堿深成巖、高度演化的高地深成巖以及少量的高鋁玄武巖，月海構(gòu)造單元內(nèi)有大量的KREEP巖形成。第三期(38.5—35億年)是巖漿作用活躍的時(shí)期，在各構(gòu)造單元的月海盆地中發(fā)生了玄武巖充填，月海構(gòu)造單元內(nèi)仍有少量的KREEP巖形成，而南極艾肯盆地構(gòu)造單元中只有少量的玄武巖生成。第四期(35—33億年)是巖漿作用的第二活躍期，在月陸構(gòu)造單元和月海構(gòu)造單元中均有小規(guī)模的玄武巖形成，而南極艾肯盆地構(gòu)造單元中已基本沒有巖漿作用。第五期(33—10億年)月陸構(gòu)造單元和南極艾肯盆地構(gòu)造單元中的巖漿作用已基本停止，月海構(gòu)造單元中也只有零星的巖漿作用。

USGS專門成立研究月球火山事件的小組，對(duì)月球上火山事件的研究進(jìn)行整理，在其官網(wǎng)上公布了研究成果(http:∥astrogeology.usgs.gov/geology/moon-pyroclastic-volcanism-project)。目前已經(jīng)識(shí)別的月球火山碎屑沉積有101處，主要圍繞月海四周出現(xiàn)?；鹕剿樾汲练e有70處位于月海構(gòu)造單元，21處在月陸構(gòu)造單元， 10處位于南極艾肯盆地構(gòu)造單元，表明月球的火山事件主要發(fā)生在月海構(gòu)造單元中。根據(jù)光譜數(shù)據(jù)反演，月球火山碎屑沉積成分主要包括了斜長(zhǎng)巖和玄武巖等暗色月幔物質(zhì)、橄欖石、輝石以及它們的混合物。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，火山碎屑巖的年齡以雨海紀(jì)為主，總共有55個(gè)火山碎屑沉積是這一時(shí)期形成的，說明火山事件多發(fā)生在雨海紀(jì)。

月球上最明顯的撞擊事件主要是形成了大型撞擊盆地的那一部分大型撞擊作用。Whilhelms(1987)[19]以直徑300 km為界線定義了月球上的45個(gè)盆地。Wood(2004)對(duì)有關(guān)月球盆地的報(bào)道進(jìn)行了整理(http:∥www.lpod.org/cwm/DataStuff/Lunar%20Basins.htm)，一共有67條記錄，去除重復(fù)報(bào)道和不能被驗(yàn)證的剩余54個(gè)撞擊盆地[20]，除涵蓋了Wilhelms歸納的以外還有一部分直徑偏小的盆地。為了研究大規(guī)模的撞擊事件，將Whilhelms定義的盆地在各構(gòu)造單元進(jìn)行投影，結(jié)果顯示月海構(gòu)造單元含有19個(gè)，平均1 515 289 km2/個(gè)；月陸構(gòu)造單元有18個(gè)，平均1 248 461 km2/個(gè)；南極艾肯盆地構(gòu)造單元含有8個(gè)，平均1 039 980 km2/個(gè)?？梢娔蠘O艾肯盆地構(gòu)造單元中發(fā)生的大型撞擊事件頻率最高，月海構(gòu)造單元接受大型撞擊的頻率偏低，雖然差距不是很大但也顯示出不同的演化特征。

3 結(jié) 論

根據(jù)月球的月殼厚度可以將月球的全球構(gòu)造格架分為三個(gè)構(gòu)造單元：月海構(gòu)造、月陸構(gòu)造以及南極艾肯盆地構(gòu)造?；贑lementine多光譜數(shù)據(jù)反演的FeO含量分布和Lunar Prospector Grammar譜數(shù)據(jù)反演的Th含量分布，Jolliff等(2000)[9]將全月的地體構(gòu)造劃分為三類：風(fēng)暴洋克里普地體(PKT)、高地斜長(zhǎng)巖地體(FHT)和南極艾肯地體(SPAT)，這一劃分與我們進(jìn)行月球大地構(gòu)造單元的劃分具有一致性，表明月球的構(gòu)造單元不僅具有縱向深度的延伸而且具有橫向表面的延伸。

月球上的重大演化事件包括巖漿事件、火山事件和撞擊事件在各個(gè)構(gòu)造單元上均有發(fā)生但有顯著的區(qū)別。巖漿事件可以分為五期，更多發(fā)生在月海構(gòu)造單元，形成月海玄武巖，在南極艾肯盆地構(gòu)造單元中只有很少的巖漿事件；火山事件也主要發(fā)生在月海構(gòu)造單元中；撞擊事件主要根據(jù)保留的撞擊盆地進(jìn)行推測(cè)，月球上的大型盆地在南極艾肯盆地構(gòu)造單元中具有相對(duì)更高的分布。

不同區(qū)域的月殼具有不同的演化特點(diǎn)，特別是月陸與月海構(gòu)造區(qū)相比，無論從演化時(shí)間上還是演化的事件上都有很大的不同，這一現(xiàn)象其根本的控制因素是什么一直是月球科學(xué)研究中的難解之謎。歐陽自遠(yuǎn)等(2002)[21]建立了行星地球不均一成因和演化的初步理論框架，在綜合最新的地球化學(xué)、地球物理和天體化學(xué)研究資料的基礎(chǔ)上， 對(duì)地球的不均一成因進(jìn)行了理論上的推導(dǎo)。結(jié)合對(duì)于中國(guó)最古老的克拉通—華北克拉通的研究結(jié)果， 劉建忠等(2009)[10]認(rèn)為月球地體的化學(xué)不均一性也應(yīng)該是來源于月球形成初期的化學(xué)成分初始不均一分布，據(jù)此建立了月球起源的星子堆積模式。張福勤等(2010)[22]從全月球構(gòu)造的幾何框架推測(cè)，月球早期的巖漿流可能為單一對(duì)流系統(tǒng)，上升流位于月球正面，頂面形態(tài)呈蚌狀或橢圓形，下降流在月球背面，在對(duì)流的驅(qū)動(dòng)下，上浮的以富鐵斜長(zhǎng)巖組分為主的斜長(zhǎng)巖質(zhì)月殼將被驅(qū)趕到南北兩側(cè)和月背，并通過一定程度的壓縮和下降流的聯(lián)合作用而發(fā)生月殼增厚。富鎂巖套是典型的低壓巖漿房(橄欖石-輝石-長(zhǎng)石共結(jié))的堆晶產(chǎn)物。高度分異的剩余巖漿結(jié)晶產(chǎn)物如KREEP組分、富堿巖套甚至少量發(fā)育的“月球花崗巖類即高硅KREEP巖、二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、花崗巖”都是伸展區(qū)即上升流頂部的分異或演化的建造類型。

關(guān)于月球的構(gòu)造格架及其演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還有待更深入的研究，尤其是月球不同構(gòu)造單元演化差異的起源，目前還沒有成熟的理論。本文中嘗試對(duì)全月球的構(gòu)造格架進(jìn)行劃分，分別梳理其地質(zhì)-構(gòu)造演化序列，科學(xué)地探討初始形成的月球整體格局對(duì)后期演化的制約，追溯月球差異性演化起源。本文初步劃分了月球的構(gòu)造格架并概括性的總結(jié)了發(fā)生在各構(gòu)造單元上的演化事件，但對(duì)差異演化的成因還不能做出有說服力的解釋，需做更充分的研究。

致謝

本文的月殼厚度數(shù)據(jù)由巴黎地球物理學(xué)院的Mark A. Wieczorek研究員提供，在此表示感謝!

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[21] 歐陽自遠(yuǎn)，劉建忠，張福勤，等.行星地球不均一成因和演化的理論框架初探[J].地學(xué)前緣，2002，9(3):23-30.[ Ouyang Z Y， Liu J Z， Zhang F Q， et al. A preliminary study on the origin and evolution of the planetary earth’s heterogeneity[J]. Earth Science Frontiers， 2002，9(3):23-30.]

[22] 張福勤，李春來，鄒永廖，等.月球的構(gòu)造演化-嫦娥月圖解釋的理論基礎(chǔ)[J].地球化學(xué)，2010，39(2):110-122.[ Zhang F Q， Li C L， Zou Y L， et al. Lunar tectonic evolution: a conceptual basis for interpreting the lunar photographic images achieved by Chang’e 1 orbiter[J]. Geochimica， 2010，39(2):110-122.] 作者簡(jiǎn)介： 劉建忠(1968—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：比較行星學(xué)與深空探測(cè)。 通信地址：貴州省貴陽市觀山湖區(qū)林城西路99號(hào)中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心(550081) E-mail：liujz@nao.cas.cn

[責(zé)任編輯：宋宏]

Lunar Tectonic Framework and Its Evolution Inhomogeneity

LIU Jianzhong1， GUO Dijun1，2， JI Jinzhu1，2， LIU Jingwen1，2， WANG Qinglong3

(1.Lunar and Planetary Science Research Center， Institute of Geochemistry， Chinese Academy of Sciences，Guiyang 550002， China; 2.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100014， China;3.College of Earth Sciences， Jilin University， Changchun 130061， China)

Based on the lunar crust thickness which is inversed from the GRAIL gravity data and LOLA topography data， the lunar tectonic framework can be preliminarily divided into three units: the mare tectonics locates in the region which mainly covers the nearside procellarum， the land tectonics dominately covering the highland in the farside and the south pole aitken basin tectonics. The major geological events including magma processing， volcanism and meteorite impacting have been studied simply， implying that the three kinds of evolution events vary clearly in different tectonic units．

Moon; tectonic framework; geological evolution

2014-11-10

2015-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41373068,41490634)

P691

A

2095-7777(2015)01-0075-05

10.15982/j.issn.2095-7777.2015.01.011