月球的全球構(gòu)造格架初探

郭弟均， 劉建忠， 籍進(jìn)柱， 劉敬穩(wěn)， 王慶龍， 歐陽自遠(yuǎn)

1 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，月球與行星科學(xué)研究中心， 貴陽　550081 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049 3 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春　130061

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月球的全球構(gòu)造格架初探

郭弟均1, 2， 劉建忠1*， 籍進(jìn)柱1, 2， 劉敬穩(wěn)1, 2， 王慶龍3， 歐陽自遠(yuǎn)1

1 中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所，月球與行星科學(xué)研究中心， 貴陽550081 2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049 3 吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130061

長期以來，最初依據(jù)月表反照率建立的月陸、月海二分法一直主導(dǎo)著人們對于月球構(gòu)造格架的基本認(rèn)識，然而自20世紀(jì)末以來的各種月球探測數(shù)據(jù)均表明，南極艾肯盆地作為月球上最大的撞擊盆地不僅占據(jù)了月表很大的面積，而且有不同于月陸和月海的性質(zhì)及演化過程.本文通過綜合研究月球典型的地球物理、地球化學(xué)以及地形特征，初步確定了月球的全球構(gòu)造格架是一個既有橫向表面延伸又有縱向深部延伸的三元結(jié)構(gòu)，包含三個月球大地構(gòu)造單元，分別是主要覆蓋正面風(fēng)暴洋及周圍月海盆地區(qū)域的月海構(gòu)造域、主要覆蓋背面高地的月陸構(gòu)造域以及位于南極艾肯盆地的南極艾肯盆地構(gòu)造域.

月球；構(gòu)造格架；月海構(gòu)造域；月陸構(gòu)造域；南極艾肯盆地構(gòu)造域

1　引言

相對于地球表面，月球的表層巖石類型要簡單得多，迄今發(fā)現(xiàn)的主要類型包括亞鐵斜長巖、富鎂巖套、富堿巖套、月海玄武巖(包括含KREEP玄武巖和不含或貧KREEP組分的普通“月海玄武巖”)，而月球巖漿洋(LMO)的演化可以通過主要巖石類型的形成時間和組成的演化關(guān)系進(jìn)行限定(張福勤等, 2010).月球相對簡單的組成特征和演化歷史表明月球符合“單板星球”的特征，缺乏與長期內(nèi)動力構(gòu)造演化相關(guān)而高度分異的衍生物(張福勤等, 2010)，模型計(jì)算也證明了月球的單板結(jié)構(gòu)(Richards et al., 2001；O′Neill et al., 2007)，這與地球的板塊構(gòu)造有很大的差異.盡管如此，但月球的內(nèi)部地球物理特征、表面地球化學(xué)特征以及地形分布表現(xiàn)出較一致的區(qū)域差異性，表明月球存在不同的大地構(gòu)造單元.

通過人在地球上的裸眼觀察就可以發(fā)現(xiàn)，月球正面月表可以被分為反照率不同的暗色區(qū)域和亮色區(qū)域，顯示出二分特性.早在17世紀(jì)，伽利略通過自制望遠(yuǎn)鏡觀測發(fā)現(xiàn)，月表暗色區(qū)域較平整而亮色區(qū)域起伏不平，具有不同的形貌特征和構(gòu)造樣式(Whitaker, 1978)，其暗色區(qū)域被稱為月海(mare或maria)而亮色的區(qū)域被稱為高地(terra或highland)(Wilhelms et al., 1987).根據(jù)Apollo時代的探測數(shù)據(jù)，前蘇聯(lián)科學(xué)家科茲洛夫和蘇利季—康德拉季耶夫于1967年和1968年進(jìn)一步提出，月球的一級構(gòu)造單元可分為高地構(gòu)造區(qū)域和月海構(gòu)造區(qū)域，在這兩個一級構(gòu)造單元中還可以再細(xì)分出二級構(gòu)造單元(歐陽自遠(yuǎn), 2005).

進(jìn)入20世紀(jì)90年代之后，進(jìn)一步的探測數(shù)據(jù)表明月球具有更復(fù)雜的構(gòu)造格架，除月陸、月海的構(gòu)造劃分之外，南極艾肯(South Pole-Aitken, SPA)盆地及其鄰近區(qū)域在地球物理場、巖石圈結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)性質(zhì)以及形貌特征等方面的獨(dú)特性已從多種已獲取的數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來(Neumann et al., 1996; Pieters et al., 1997; Lucey et al., 1998; Cook et al., 2000; Shevchenko et al., 2007; Smith et al., 2010; Andrews-Hanna et al., 2013; Lemoine et al., 2013, 2014; Wieczorek et al., 2013)，而SPA盆地的在演化路徑上也獨(dú)立于其他月球區(qū)域(Pieters et al., 2001；Arai et al., 2008).根據(jù)Clementine多光譜數(shù)據(jù)以及Lunar Prospector能譜數(shù)據(jù)得到的鐵元素和釷元素分布，Jolliff等(2000)定義了月球的三個化學(xué)地體：斜長巖高地地體(FHT)、風(fēng)暴洋克里普地體(PKT)和南極艾肯地體(SPAT)，這一劃分從月表地球化學(xué)的角度將月球分為了三個單元，缺乏地球物理場的約束.基于對三大化學(xué)地體的認(rèn)識，Liu等(2009)進(jìn)一步建立了月球地體構(gòu)造的星子堆積起源模式.

月球的地球物理、地球化學(xué)及地形地貌特征表明，早期基于單一數(shù)據(jù)對月球的構(gòu)造格架按照月陸、月海二分的方式并不能完全概括月球的地質(zhì)-構(gòu)造演化特征.基于最近的多種探測數(shù)據(jù)的融合分析，本文旨在通過研究月球在內(nèi)部地球物理結(jié)構(gòu)、表面地球化學(xué)性質(zhì)以及月表形貌等方面的分區(qū)特征，建立月球的三元結(jié)構(gòu)的全球性構(gòu)造格架，包含三個大地構(gòu)造單元：主要位于正面風(fēng)暴洋區(qū)域的月海構(gòu)造域，位于南極艾肯盆地及其鄰近區(qū)域的南極艾肯盆地構(gòu)造域以及余下以高地為主的月陸構(gòu)造域.三個構(gòu)造單元的演化歷史具有明顯的差別，這可能主要受控于各構(gòu)造域的深部構(gòu)造特征及物質(zhì)成分尤其是生熱元素的不均一分布，而月球形成初期的巖漿洋不均一結(jié)晶可能是物質(zhì)的不均一分布的起源(Arai et al., 2008).

2　基于不同要素的月球大地構(gòu)造單元

本次研究將近年來月球探測獲得的不同類型的典型成果數(shù)據(jù)作為識別月球構(gòu)造域的研究對象.由于各數(shù)據(jù)的數(shù)值分布無法在空間上完全分割，比如高地區(qū)域雖然整體上高程最高，但其中一些盆地的高程比月海中的部分區(qū)域還低，所以不能通過直接對數(shù)值分割達(dá)到劃分各構(gòu)造單元的目的，本文采用了目視的方法識別各構(gòu)造單元的邊界.為了提高目視解譯的精確度，我們使用了偽彩色圖像處理，它是基于一種指定的規(guī)則對灰度值賦以顏色的處理，本次處理中顏色是均勻添加的，以防止人為擴(kuò)大或縮小色彩所代表的值域范圍.偽彩色處理的影像不同顏色代表了不同的數(shù)值，兩個像素點(diǎn)的顏色差異越大則數(shù)值差異越大，因此顏色差異最大的位置代表了不同構(gòu)造單元的邊界.由于人眼對色彩有極高的分辨能力，可以辨別幾千種彩色色調(diào)和亮度(Gonzalez and Woods, 2006)，根據(jù)本文使用數(shù)據(jù)的數(shù)值分布范圍，這種方法的分辨率在理論上可以達(dá)到1個數(shù)值單位.

2.1基于特殊地球物理特征的月球大地構(gòu)造單元

月球的地球物理研究包括月球的重力場模型、磁場分布、電導(dǎo)率分層、月震波的傳播、內(nèi)部熱流值等物理場的分布以及月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(歐陽自遠(yuǎn), 2005).月球地球物理性質(zhì)尤其是重力場分布和月殼巖石圈結(jié)構(gòu)特征是圈定全球性構(gòu)造單元的主要依據(jù)，同一個巖石圈構(gòu)造單元的不同塊體具有相似的地殼類型、地殼結(jié)構(gòu)和分層特征，地殼厚度相近或有統(tǒng)一的變化規(guī)律(李廷棟, 2006).目前對月球的地球物理研究主要是通過地震波觀測和重力場觀測，認(rèn)識月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)最有效、最直接的方法就是進(jìn)行月震觀測，然而目前月震研究資料十分有限，只有Apollo時代建立的位于月球正面的觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)已經(jīng)得到了月球的圏層結(jié)構(gòu)(Lammlein, 1977; Nakamura et al., 1982).然而，由于Apollo臺陣臺站數(shù)量和空間位置的限制，基于月震數(shù)據(jù)的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究主要集中于月震儀下方月殼厚度計(jì)算及上月幔一維速度模型的建立，且分辨率也相當(dāng)有限，還具有很大的不確定性(姜明明和艾印雙, 2010).而月球的重力場數(shù)據(jù)可以通過探月衛(wèi)星的軌道數(shù)據(jù)反演(Mazarico et al., 2010; Yan et al., 2010; Zuber et al., 2013a)，能夠達(dá)到全月覆蓋且不需要進(jìn)行月面的人工操作，因而是比月震觀測更加可行的獲取月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法.

基于重力場的月球地球物理性質(zhì)研究始于1966年前蘇聯(lián)發(fā)射的環(huán)月探測器Luna 10(Akim, 1966)，同年8月，美國第一個環(huán)月探測器Lunar Orbiter(LO-I)發(fā)射成功，LO系列衛(wèi)星進(jìn)行了早期的月球軌道和質(zhì)量分布探測(Lorell, 1970).由于受數(shù)據(jù)質(zhì)量及計(jì)算科學(xué)發(fā)展水平的限制，Apollo時期只得到了最高16×16階的月球重力場模型(Lemoine et al., 1997)，進(jìn)入90年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，Konopliv等(1993)利用Apollo時期的數(shù)據(jù)推出了展開至60 階的月球重力場模型Lun60d.隨著第二次探月高潮的升溫，對月球重力場模型的研究也取得了巨大進(jìn)步，綜合Clementine和前期的探月的軌道數(shù)據(jù)，Lemoine等(1997)得到了70階的月球重力場模型GLGM-2.為了詳細(xì)探測月球的重力場數(shù)據(jù)以研究月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，NASA于2011年9月發(fā)射了GRAIL(重力回溯及內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室)雙生探測器專門負(fù)責(zé)提供高分辨率的月球重力數(shù)據(jù)(Zuber et al., 2013a)，目前已利用GRAIL重力場數(shù)據(jù)計(jì)算出了420階的重力場模型GL0420A(Zuber et al., 2013b)、660階重力場模型GRGM660PRIM(Lemoine et al., 2013)和900階的重力場模型GRGM900C、GL0900D等(Konopliv et al., 2014; Lemoine et al., 2014).此外，中國利用嫦娥一號數(shù)據(jù)研制了50階的月球重力場模型CEGM-01(Yan et al., 2010)，日本也利用本國的SELENE探月數(shù)據(jù)研制出了100階的月球重力場模型SGM100i(Goossens et al., 2011).基于以上重力場模型，許多學(xué)者聯(lián)合地形數(shù)據(jù)得到了整個月球的月殼厚度分布模型(Wieczorek and Phillips, 1998; Ishihara et al., 2009;豐海等, 2012；Wieczorek et al., 2013).為了進(jìn)行基于地球物理的月球構(gòu)造單元劃分，我們使用了PDS (Planetary Data System)上公布的GRGM900C模型的布格重力異常數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)范圍的限制，該數(shù)據(jù)是被截?cái)酁?00階發(fā)布的，此外還使用了Wieczorek等(2013)利用GRAIL重力場數(shù)據(jù)和LOLA地形數(shù)據(jù)得到的平均月殼厚度為43 km的月殼厚度模型(圖 1).

布格重力異常的分布表明，月球存在三個基于重力異常的構(gòu)造單元，分別是月海構(gòu)造域、月陸構(gòu)造域和南極艾肯盆地構(gòu)造域(圖 1).月海構(gòu)造域主要覆蓋月球的正面風(fēng)暴洋區(qū)域，以正異常為主，包含了9個質(zhì)量瘤盆地(Konopliv et al., 2001)，重力異常分布從-183.51 mGal到740.49 mGal，平均重力異常為99.07 mGal；月陸構(gòu)造域主要覆蓋月球背面高地，以負(fù)異常為主，包含了10個質(zhì)量瘤盆地(Konopliv et al., 2001)，重力異常分布從-726.57 mGal到513.37 mGal，平均重力異常為-211.18 mGal；南極艾肯盆地構(gòu)造域具有顯著的正異常，含有兩個質(zhì)量瘤盆地(Konopliv et al., 2001)，重力異常分布從-203.64 mGal到594.53 mGal，平均重力異常為196.46 mGal(表 1).

同布格重力異常的分布一樣，月殼厚度分布特征也顯示出了月球的三個同類型的大地構(gòu)造單元(圖 1).三個構(gòu)造單元中，月海構(gòu)造域的最低厚度為2.48 km，最大厚度為70.52 km，位于月海盆地外圍的環(huán)形山上，平均厚度38.48 km；月陸構(gòu)造域是月殼最厚的構(gòu)造單元，最大厚度達(dá)到81.23 km，最小厚度為0.55 km，這也是該模型中月殼最厚和最薄的地方，分別位于赫茲斯朋(Hertzsprung)盆地西側(cè)高地和莫斯科海，月陸構(gòu)造域的平均厚度達(dá)到51.29 km；南極艾肯盆地構(gòu)造域主要是南極艾肯盆地所在的區(qū)域，撞擊挖掘?qū)е滤脑職ず穸容^薄，平均厚度32.18 km，最大厚度為65.55 km，最薄的地方5.36 km(表 1).

圖1　基于布格重力異常(a)分別和月殼厚度(b)劃分的月球大地構(gòu)造單元A為月海構(gòu)造域; B為月陸構(gòu)造域; C為南極艾肯盆地構(gòu)造域.采用簡單圓柱投影，投影中心為(90°W, 0°).Fig.1　Lunar geotectonic domains based on Bouguer gravity anomalies (a) and crust thickness (b)A is the mare tectonic domain; B is the highland tectonic domain; C is the South Pole-Aitken basin tectonic domain. The maps are in simple cylindrical projection, centering at (90°W, 0°).

地球物理構(gòu)造單元最高值最低值平均值布格重力異常(mGal)月海構(gòu)造域740.49-183.5199.07月陸構(gòu)造域513.37-726.57-211.18南極艾肯盆地構(gòu)造域594.53-203.64196.46月殼厚度(km)月海構(gòu)造域70.522.4838.48月陸構(gòu)造域81.230.5551.29南極艾肯盆地構(gòu)造域65.555.3632.18

2.2基于特殊地球化學(xué)特征的月球大地構(gòu)造單元

早期的研究者認(rèn)為月殼是一個簡單的分層堆積結(jié)構(gòu)，由一個上面覆蓋著基性巖石(月海玄武巖)和熔融殘留體(克里普巖)的斜長巖質(zhì)上月殼和近水平的下月殼基底所組成(Taylor and Jakes, 1974).這種結(jié)構(gòu)的形成主要來源于月球早期巖漿洋中巖漿的分異結(jié)晶作用，因?yàn)樵撃Ｊ侥軌蚝侠斫忉尭叩貛r石和月海玄武巖的地球化學(xué)特征而被人們廣泛認(rèn)可(Papike et al., 1976; Warren and Wasson, 1979; Walker, 1983; Warren, 1985).隨著月球探測的深入，人們逐漸認(rèn)識到月球正面和背面在物質(zhì)分布上存在明顯的差異(Warren and Rasmussen, 1987；Metzger, 1994)，表明其地質(zhì)演化過程有所不同.Jolliff等通過月球衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)證實(shí)了整體月表化學(xué)成分上的非均一性，基于Clementine多光譜數(shù)據(jù)反演的FeO含量分布和Lunar Prospector 伽馬能譜數(shù)據(jù)反演的Th含量分布，將全月分為了3個化學(xué)地體：

(1) 風(fēng)暴洋克里普地體(Procellarum KREEP Terrane, PKT)，成分以玄武巖質(zhì)巖石為主，具有非常高的釷含量和鐵含量.

(2) 高地斜長巖地體(Feldspathic Highland Terrane, FHT)，主要位于月球背面，成分以長石為主，釷和鐵的含量相對較低.

(3) 南極艾肯地體(South Pole-Aitken Terrane, SPAT)，相對于FHT具有較高的釷和鐵含量，但是都沒有PKT高.

在月球上，Th元素和Fe元素是有重要指示意義的兩類元素.在巖漿演化的過程中，Th元素等生熱元素提供了一個長期的熱環(huán)境，生熱元素的非均一分布可導(dǎo)致巖漿洋的非均一固化，從而形成月殼的不對稱性(Wasson and Warren, 1980)，因此Th元素的分布對風(fēng)暴洋周圍的月海區(qū)域的影響從巖漿洋早期分異到最晚的月海玄武巖形成階段都有影響(Schultz and Spudis, 1983).此外，Th元素在KREEP物質(zhì)中含量較豐富，通常作為識別KREEP的指示性元素(Warren and Wasson, 1979).月球Fe元素有助于揭示月球的起源和發(fā)展，定義月表化學(xué)和礦物(Zhang and Bowles, 2013)，F(xiàn)e元素是玄武巖的主要成分之一，通常隨著月殼深度的增加鐵鎂質(zhì)物質(zhì)濃度升高(Lucey et al., 1995)，所以鐵元素的分布規(guī)律可以揭示自月球深部挖掘的成分.借助于Lunar Prospector伽馬譜數(shù)據(jù)，Lawrence等(2002a，b)得到了全月球釷和鐵(以FeO表示)的含量分布(圖 2)，可以被用來確定以地球化學(xué)為基礎(chǔ)的月球大地構(gòu)造單元.

根據(jù)以Th和FeO為代表的地球化學(xué)特征，也可以將月球劃分為月海、月陸和南極艾肯盆地三個構(gòu)造域.在三個構(gòu)造域中，Th元素和Fe元素的含量具有相似的特征，兩種成分均在月海構(gòu)造域內(nèi)含量最高，尤其是在風(fēng)暴洋區(qū)域，其次在南極艾肯盆地構(gòu)造域中含量也較高，兩種成分在月陸構(gòu)造域中含量最低(圖 2、表 2).月球KREEP巖主要位于月海單元中，其U和Th的含量超過球粒隕石300倍，這暗示月球上很大一部分生熱元素集中于這一獨(dú)立的地球化學(xué)省中(歐陽自遠(yuǎn), 2005)，據(jù)初步估算，占月殼10%體積的該區(qū)域中，集中了月殼中大約40%的Th元素(Jolliff et al., 2000)，Haskin(1998)更認(rèn)為在風(fēng)暴洋和雨海地區(qū)的月殼下面一定是富Th的KREEP 高度富集的地點(diǎn)，在風(fēng)暴洋區(qū)月海玄武巖的下面覆蓋著一層比月海玄武巖厚得多的克里普巖.南極艾肯盆地構(gòu)造域有月球上最大的撞擊盆地，其挖掘深度可能達(dá)到下月殼甚至上月幔(Pieters et al., 1997；Cintala and Grieve, 1998; Lucey et al., 1998; Pieters et al., 2001)，因此盆地內(nèi)的Th元素和Fe元素異常可能指示了月球內(nèi)部的成分分布特征，對于研究深部月殼成分及其演化有重要意義.

表2　基于月表地球化學(xué)特征劃分的月球各構(gòu)造域Th元素和FeO含量Table 2　Concentrations of Th and FeO in lunar tectonic domains based on geochemical characteristics

2.3基于地形特征的月球大地構(gòu)造單元

月球地形是月球內(nèi)、外地質(zhì)作用對月殼綜合作用的結(jié)果.內(nèi)動力地質(zhì)作用造成了較大尺度的月表起伏，控制了高地、洼地分布的輪廊，決定了地貌的宏觀格架，也是形成月球不同大地構(gòu)造單元的原始因素.對于外動力地質(zhì)作用來說，由于月球表面沒有植被，也沒有像地球表面有切割作用的水流，沒有人工改造，沒有風(fēng)蝕作用等等，最主要的月殼改造作用是隕石撞擊以及影響相對較弱的太空風(fēng)化作用，撞擊過程的挖掘和堆積作用導(dǎo)致了月球局部的地形起伏.因此，月球地形的宏觀格局是月球構(gòu)造格架的一種表現(xiàn)形式，反映了月球的大地構(gòu)造單元分布.

研究月球的地形特征主要利用月球的數(shù)字高程模型(DEM).目前獲取月表高程數(shù)據(jù)主要有兩種手段：一是利用繞月衛(wèi)星的激光測距傳感器獲取月球表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后就可生成月球的DEM影像產(chǎn)品(Li et al., 2010)；二是利用可以立體成像的CCD光學(xué)傳感器獲取月球表面的數(shù)字影像，通過立體成像模型的處理可以獲取月表的數(shù)字地形圖(Hofmann et al., 1984; 王任享, 2006).2010年美國發(fā)射的LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)月球軌道探測器上攜帶的LOLA(Lunar Orbiter Laser Altimeter)激光高度儀獲得了目前應(yīng)用最廣泛也是質(zhì)量最好的月球地形數(shù)據(jù)(Smith et al., 2010)，本文選用了分辨率為0.02°的LOLA數(shù)據(jù)進(jìn)行月球地形單元的劃分.

圖2　基于月表Th(a)和FeO(b)含量劃分的月球大地構(gòu)造單元A為月海構(gòu)造域; B為月陸構(gòu)造域; C為南極艾肯盆地構(gòu)造域.采用簡單圓柱投影，投影中心為(0°, 0°).Fig.2　Lunar geotectonic domains based on surface Th concentration (a) and FeO concentration (b)A is the mare tectonic domain; B is the highland tectonic domain; C is the South Pole-Aitken basin tectonic domain. The maps are in simple cylindrical projection, centering at (0°, 0°).

從月球的地形分布上看，月球的三元結(jié)構(gòu)構(gòu)造格架不僅在內(nèi)部縱向的地球物理場及表層橫向的地球化學(xué)場上有顯示，而且也與月球的表面地形分布相耦合，基于地形的月海構(gòu)造域、月陸構(gòu)造域和南極艾肯盆地構(gòu)造域依然存在(圖3).月海構(gòu)造域地形較低，其范圍從-6818 m到4824 m，平均高程為-1225 m(表3)，其典型的形貌單元是被月海玄武巖充填的月海盆地，月球上除東海、莫斯科海和智海以外的19個月海都分布在月海構(gòu)造域中；月陸構(gòu)造域是月球上的高地形區(qū)域，高程最高值10777 m，最低值-6051 m，平均高程值1382 m(表3)，莫斯科海和東海位于月陸構(gòu)造域；南極艾肯盆地構(gòu)造域因南極艾肯盆地撞擊事件形成，高程值變化較大，在盆地邊緣處最高，為6902 m，在盆底最低，為-9120 m，平均高程-2721 m(表3)，構(gòu)造域中唯一的月?！呛Ｎ挥谂璧剡吘壐浇?

表3　基于地形劃分的月球各構(gòu)造域高程值Table 3　Elevations of lunar geotectonic domains based on topography

3　討論

為了綜合顯示月球的地球物理、地球化學(xué)和地形數(shù)據(jù)的特征，我們利用RGB彩色模型制作了包含三種分量的假彩色影像(圖 4).首先，將布格重力異常數(shù)據(jù)、FeO和Th兩種地球化學(xué)成分含量數(shù)據(jù)和LOLA高程數(shù)據(jù)全部線性拉伸到0到255的范圍內(nèi)，保持直方圖分布不變；然后，對FeO和Th兩種地球化學(xué)成分的分布在每個像素上取平均值，由于月球上鐵和釷的分布具有強(qiáng)烈的正相關(guān)性且都反映了巖漿活動的性質(zhì)，這種處理融合了兩種與月球巖漿演化有關(guān)的最重要的地球化學(xué)成分；最后，將拉伸后的布格重力異常異常數(shù)據(jù)賦給紅色通道，F(xiàn)eO和Th的平均含量數(shù)據(jù)賦給綠色通道，LOLA高程數(shù)據(jù)賦給藍(lán)色通道，得到融合了地球物理、地球化學(xué)和地形數(shù)據(jù)月球影像(圖 4).

圖3　基于LOLA高程數(shù)據(jù)劃分的月球大地構(gòu)造單元A為月海構(gòu)造域; B為月陸構(gòu)造域; C為南極艾肯盆地構(gòu)造域.盆地?cái)?shù)據(jù)來自Wilhelms(1987).采用為簡單圓柱投影，投影中心為(90°W, 0°).Fig.3　Lunar tectonic elements based on LOLA elevation dataA is the mare tectonic domain; B is the highland tectonic domain; C is the South Pole-Aitken basin tectonic domain. Basin catalog refers to Wilhelms (1987). The map is in simple cylindrical projection, centering at (90°W, 0°).

圖4　基于不同研究對象劃分的月球三大構(gòu)造域界線對比A為月海構(gòu)造域; B為月陸構(gòu)造域; C為南極艾肯盆地構(gòu)造域.采用簡單圓柱投影，投影中心為(0°, 0°).Fig.4　Comparison of boundaries of three lunar geotectonic domains based on different study objectsA is the mare tectonic domain; B is the highland tectonic domain; C is the South Pole-Aitken basin tectonic domain. The map is in simple cylindrical projection, centering at (0°, 0°).

3.1月球東翼的構(gòu)造域邊界差異

圖4表明融合了地球物理、地球化學(xué)和地形特征的數(shù)據(jù)同樣顯示了月球三元結(jié)構(gòu)的構(gòu)造格架.將基于不同研究對象獨(dú)立劃分的月球三大構(gòu)造域邊界進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)(圖4)，它們在西半球具有較好的一致性，而在月球東翼存在很大的差異.受FeO和Th元素分布的影響，在三大構(gòu)造單元中，基于地球化學(xué)特征劃分的月海構(gòu)造域和月陸構(gòu)造域與基于地球物理和地形特征劃分的差異明顯，而南極艾肯盆地構(gòu)造域的范圍在各種條件下都比較一致.

基于Th元素分布劃分的月海構(gòu)造域范圍明顯更小而月陸構(gòu)造域更廣，月海構(gòu)造域主要圍繞風(fēng)暴洋分布.風(fēng)暴洋之外的月海釷濃度普遍較少，幾乎與高地?zé)o異，只有洪堡海的釷含量相對較高，但不大于 5.3 ppm.基于FeO分布劃分的月海構(gòu)造域范圍同樣比基于地球物理和地形劃分的范圍要小，但比基于Th元素分布劃分的要大，月海構(gòu)造域在西半球主要沿著風(fēng)暴洋的邊界分布，而在東翼包含了包括洪堡海在內(nèi)的更多月海.從分布上看，Th元素的含量受風(fēng)暴洋的控制更嚴(yán)重，它隨著KREEP巖出露，覆蓋了幾乎整個風(fēng)暴洋.

Th是不相容元素，通常認(rèn)為在月球巖漿洋演化的過程中Th元素作為殘留相存在于原始月殼和月幔之間(Taylor, 1982；Shearer and Papike, 1999).富Th的KREEP物質(zhì)只在月球的風(fēng)暴洋區(qū)域富集似乎意味著月球巖漿洋的終期殘?jiān)詈蟊欢逊e在這里，而關(guān)于這一過程的解釋存在不同的觀點(diǎn)(Warren, 2001；Parmentier et al., 2002).FeO同樣在風(fēng)暴洋區(qū)域含量最高，不同的是，在風(fēng)暴洋之外的月海盆地中Th含量低但FeO含量很高.月表鐵元素主要隨著月海玄武巖出露(Neal and Taylor, 1992; Snyder et al., 1992； Gillis et al., 2004)，反映了巖漿活動的強(qiáng)度，是月海構(gòu)造域中區(qū)別于其他構(gòu)造單元的典型成分.

雖然基于Th和FeO兩種地球化學(xué)成分定義的月海、月陸構(gòu)造域邊界與其他條件下的邊界有較大差異，但Th元素集中分布在風(fēng)暴洋區(qū)域中，只是構(gòu)成了一個化學(xué)地體，是巖石圈尺度上月海構(gòu)造域中的一塊特殊地區(qū)，地球物理場的特征表明它還不能控制整個月球構(gòu)造格架的分布.而與巖漿演化有關(guān)的另一化學(xué)成分FeO所代表的月海玄武巖的分布擴(kuò)大了月海構(gòu)造域的范圍，使它與基于地球物理和地形劃定的范圍已經(jīng)十分接近了.無論如何，盡管存在范圍上的差異，但三元結(jié)構(gòu)的月球構(gòu)造格架始終存在.

3.2三大構(gòu)造域的差異性演化

巖石圈主要通過具有三維結(jié)構(gòu)的塊體反映其地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)的總體特征，而且主要反映了地質(zhì)歷史時期多次改造、重塑的現(xiàn)今巖石圈物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造(李廷棟, 2006).本文探討的月海、月陸和南極艾肯盆地三大構(gòu)造域在月殼的地球物理結(jié)構(gòu)、地球化學(xué)成分和地形地貌上均有各自的獨(dú)特性，它們具有不同的演化過程和地質(zhì)改造歷史.各構(gòu)造域的差異性演化過程可以為類地行星的演化提供參考，而保留完好的地質(zhì)記錄成為了追溯月球地質(zhì)-構(gòu)造事件的線索.

根據(jù)月球的巖漿洋模型(Wood et al., 1970；Elkins-Tanton et al., 2011)，月球斜長質(zhì)月殼最先結(jié)晶形成，因此主要由斜長質(zhì)月殼組成的月陸構(gòu)造域是月球最古老的構(gòu)造單元，其演化過程大致停留在巖漿洋結(jié)晶作用末期，雖然被隨后發(fā)生的無數(shù)撞擊事件部分改造，但其整體的巖石圈結(jié)構(gòu)沒有被破壞.斜長巖結(jié)晶形成高地之后，月陸構(gòu)造域只有兩個巖漿作用區(qū)，分別位于酒海紀(jì)形成的莫斯科海盆地和雨海紀(jì)形成的東海盆地(Wilhelms et al., 1987)，莫斯科海盆地從39億年前到25.7億年前經(jīng)歷了6個期次的玄武巖噴發(fā)(Morota et al., 2009)，東海盆地的巖漿作用時間從37億年前持續(xù)到了16.6億年前(Whitten et al., 2011).月陸構(gòu)造域的內(nèi)動力地質(zhì)作用演化周期短，穩(wěn)定時間早，且后期巖漿作用的范圍和強(qiáng)度都很有限，所以保存最為豐富的月球撞擊記錄，對于研究早期撞擊構(gòu)造和撞擊構(gòu)造的退化有不可取代的作用.

月海構(gòu)造域主要覆蓋了月球正面的月海，巖石類型以低反照率的月海玄武巖為主，演化周期較長，演化時間停留在約20億年前月海玄武巖充填作用截至?xí)r.傳統(tǒng)觀念認(rèn)為：巖漿洋結(jié)晶之后形成了覆蓋全月的斜長質(zhì)月殼(Shearer and Papike, 1999)；之后在約3.8—4.1 Ga經(jīng)歷了后期重轟擊(late heavy bombardment, LHB)，在月球正面形成一系列大型撞擊盆地(Kring, 2003；Gomes et al., 2005)；在雨海紀(jì)晚期約36—38億年前撞擊盆地底部開始出現(xiàn)大規(guī)模的玄武巖溢流充填，在33—35億年前又發(fā)生了較弱的巖漿作用，此后持續(xù)到約20 億年前都有小型的巖漿作用發(fā)生(Hiesinger et al., 2000, 2010).然而也有觀點(diǎn)認(rèn)為，月球正面形成了更多大型撞擊盆地是由于生熱元素的不均勻分布導(dǎo)致的，實(shí)際上正面和背面遭受的撞擊是相同的(Miljkovic et al., 2013)，此外月海構(gòu)造域的巖漿活動可能持續(xù)到了約15億年前(Morota et al., 2011).

南極艾肯盆地構(gòu)造域是由于南極艾肯(SPA)盆地的撞擊事件形成的，SPA盆地是月球上最大、最古老的撞擊盆地(Wilhelms et al., 1987)，形成于月殼固化后的早期，是第一批留下記錄的撞擊構(gòu)造，代表了月球外動力地質(zhì)作用起主導(dǎo)的起始.SPA盆地巨大的撞擊挖掘作用使得該構(gòu)造域月殼非常薄，然而在月海大規(guī)模形成時期卻沒有經(jīng)歷玄武巖充填，只在盆地邊緣的智海中出現(xiàn)了玄武巖充填(Kramer et al., 2011)，此外，在阿波羅、薛定諤等盆地內(nèi)有少量的巖漿出露(Kramer et al., 2013).南極艾肯盆地構(gòu)造域的月殼最薄，然而演化過程中沒有出現(xiàn)廣泛的巖漿活動是一個十分難解的現(xiàn)象，一個合理的解釋可能是其生熱元素的不均一分布(Wieczorek and Phillips, 2000；Miljkovic et al., 2013).

3.3月球地質(zhì)-構(gòu)造演化研究的意義

在地球上，通過對地質(zhì)構(gòu)造的研究，可以掌握不同尺度構(gòu)造運(yùn)動的發(fā)生、發(fā)展和終止過程，了解這一過程對地球形貌、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，但通過對行星表面地質(zhì)-構(gòu)造現(xiàn)象的研究，同樣有助于我們了解行星的形成、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)(Jolliff et al., 2006)，因此月球形成最初8億年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)被湮沒殆盡.

另一方面，正是因?yàn)樵虑虮Ａ袅嗽缙诘刭|(zhì)演化的記錄，所以月球也就同時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)造格架及構(gòu)造域演化歷史的研究可以為太陽系演化的兩種動力學(xué)過程進(jìn)行示范，即月球的撞擊事件可以反映外動力地質(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)動力地質(zhì)作用的過程，這些重要的地質(zhì)過程，不僅是形成當(dāng)今月球形貌、構(gòu)造的主要過程，也是太陽系其他類地行星所共有的演化過程(Cordell and Strom, 1977; Grieve and Cintala, 1997; O′Neill et al., 2007)，對月球和行星后期演化起到重要的制約作用.通過對月球不同大地構(gòu)造單元進(jìn)行劃分并對地質(zhì)-構(gòu)造演化序列進(jìn)行梳理，可以科學(xué)地探討月球不均一演化的起源，并為重建太陽系演化過程提供參考.

4　結(jié)論

(1) 本文開展了分別基于地球物理(布格重力異常和月殼厚度)、地球化學(xué)(Th和FeO)和地形多源數(shù)據(jù)的月球大地構(gòu)造單元劃分，三類研究對象都表明月球的構(gòu)造格架是一個三元結(jié)構(gòu)，包括：月海構(gòu)造域、月陸構(gòu)造域和南極艾肯盆地構(gòu)造域，這是月球在全球尺度上新的構(gòu)造格架，三個大地構(gòu)造單元既有成分和地形的橫向表面延伸又有內(nèi)部地球物理結(jié)構(gòu)的縱向深部延伸，且具有相異的演化過程，是在月球巖石圈中的三個獨(dú)立對象.

(2) 不同的月球大地構(gòu)造單元具有不同的演化特點(diǎn)，月陸與月海相比，無論從演化時間上還是演化的事件上都有很大的不同，而南極艾肯盆地作為月球上最大、撞擊挖掘最深的盆地卻沒有發(fā)生像雨海盆地一樣的大規(guī)模玄武巖溢流，這些現(xiàn)象的根本控制因素是什么一直是月球科學(xué)研究中的難解之謎.開展月球全球性構(gòu)造格架及其演化的研究是進(jìn)行這一難題探討的基礎(chǔ)和前提，只有劃分出科學(xué)合理能真正反映月球形成早期狀態(tài)的大地構(gòu)造格架，才能更方便探討其演化差異的根本控制因素.

(3) 三元結(jié)構(gòu)的月球構(gòu)造構(gòu)架是對以往月球二元結(jié)構(gòu)認(rèn)識上的升華，保留了二元結(jié)構(gòu)中月陸、月海的劃分，但根據(jù)基于最新各種探月數(shù)據(jù)的對月球的新認(rèn)識，增加的南極艾肯盆地構(gòu)造域這一特殊的大地構(gòu)造單元.本文對月球全球性構(gòu)造格架做了初步探討，旨在確立三個大地構(gòu)造單元的存在性，基于不同的參考對象識別的構(gòu)造單元邊界在一些區(qū)域還不能很好的匹配，各構(gòu)造單元最終邊界的確定將是下一步研究的重點(diǎn).

致謝本文采用的布格重力異常數(shù)據(jù)來自PDS上發(fā)布的Lemoine等人的計(jì)算結(jié)果，月殼厚度數(shù)據(jù)使用了巴黎地球物理學(xué)院Wieczorek研究員發(fā)布的成果，Th元素和FeO含量數(shù)據(jù)來自PDS地學(xué)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)布的Lawrence等人的計(jì)算結(jié)果，在此一并表示感謝！同時感謝審稿專家對本文提出的寶貴意見！

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(本文編輯張正峰)

Preliminary study on the global geotectonic framework of the Moon

GUO Di-Jun1,2, LIU Jian-Zhong1*, JI Jin-Zhu1,2, LIU Jing-Wen1,2, WANG Qing-Long3, OUYANG Zi-Yuan1

1CenterforLunarandPlanetarySciences,InstituteofGeochemistry,ChineseAcademyofSciences,Guiyang550081,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China

For a long time, the land-mare dichotomy based on lunar albedo has dominated our general sense of the lunar global geotectonic framework. However, lunar exploration data since the end of the last century shows that the South Pole-Aitken basin, which is the largest impact basin on the Moon, not only occupies a large region of the Moon but also differs from highland and mare in properties and evolution processes. Based on the study of the typical characteristics of lunar geophysics, geochemistry and topography, a geotectonic framework of ternary pattern is proposed here. The three units extend both on the horizontal surface and in the vertical direction, including the mare tectonic domain that mainly covers the Procellarum and its neighboring mare basins, the highland tectonic domain that mainly covers the highland on the farside, and the South Pole-Aitken basin tectonic domain that is mainly occupied by the great South Pole-Aitken basin.

Moon; Geotectonic framework; Mare tectonic domain; Highland tectonic domain; South Pole-Aitken basin tectonic domain

10.6038/cjg20161002.

國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(41490634)、面上項(xiàng)目(41373068)和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB18010105)聯(lián)合資助.

郭弟均，男，1988年生，博士生，從事行星遙感地質(zhì)研究.E-mail:guodijun@mail.gyig.ac.cn

劉建忠，男，1968年生，研究員，博士生導(dǎo)師，從事比較行星學(xué)及深空探測研究.E-mail:liujz@nao.cas.cn

10.6038/cjg20161002

P691

2015-02-09，2016-08-23收修定稿

郭弟均， 劉建忠，籍進(jìn)柱等. 2016. 月球的全球構(gòu)造格架初探. 地球物理學(xué)報(bào)，59(10):3543-3554,

Guo D J, Liu J Z, Ji J Z, et al. 2016. Preliminary study on the global geotectonic framework of the Moon.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3543-3554,doi:10.6038/cjg20161002.