月球正面與背面的差異對(duì)比與演化分析

姚美娟+陳建平 +徐彬 +籍進(jìn)柱+陳劍

摘要：月球的起源與演化以及月球正面與背面的差異性一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，月球正面和背面的差異性說(shuō)明兩個(gè)半球的演化過(guò)程存在不對(duì)稱性。通過(guò)分析月球正面與背面的物理特征、巖石礦物特征和構(gòu)造特征分布差異，研究形成月球正面和背面差異性的動(dòng)力過(guò)程，進(jìn)而解釋月球正面與背面地質(zhì)演化差異。結(jié)果表明：月球正面和背面的物理特征、巖石礦物特征和構(gòu)造特征都存在很大的不同；月球正面和背面的地質(zhì)演化可以劃分為以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段，內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用并存階段和以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段；以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段和內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用并存階段是造成月球正面和背面地質(zhì)演化差異的兩個(gè)主要階段，而以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段對(duì)月球正面和背面地質(zhì)演化差異的形成影響較小。

關(guān)鍵詞：月球；演化；正面；背面；物理特征；巖石礦物；構(gòu)造特征

中圖分類號(hào)：P184文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： The origin and evolution of Moon and the difference between lunar nearside and farside are hot topics. The difference between lunar nearside and farside shows the asymmetry evolution of the two hemispheres. Based on the analysis of the physical properties， rock mineral properties and structural characteristics of lunar nearside and farside， the difference of their geological evolution and the dynamic process of their formations were discussed. The results show that the physical properties， rock mineral properties and structural characteristics of lunar nearside and farside are different； the geological evolution history of Moon can be divided into three stages， including the stage of endogenic geological process， the stage of both endogenic and exogenic geological processes and the stage of exogenic geological process； the differences between lunar nearside and farside are mainly affected by the stage of endogenic geological process and the stage of both endogenic and exogenic geological processes， while the stage of exogenic geological process only takes little effect on lunar nearside and farside.

Key words： Moon； evolution； nearside； farside； physical property； rock mineral； structural characteristic

0引言

在無(wú)探測(cè)器的時(shí)代，人類利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)月球，最先發(fā)現(xiàn)的是月球正面的高山和廣闊平原，其表面布滿了環(huán)形山，但無(wú)法探測(cè)月球背面。直到1959年，前蘇聯(lián)發(fā)射的探測(cè)器“月球3號(hào)”首次拍攝到月球背面影像，人類才發(fā)現(xiàn)月球背面的地形地貌特征與正面是不同的。月球背面的地形比較相似，大部分為“亮”的高地，只有少部分為“暗”的平原，高地地區(qū)多以撞擊形成的撞擊坑、盆地為主。

對(duì)比月球正面和背面的地形地貌特征，能夠發(fā)現(xiàn)兩者之間具有明顯的“二分性”，即月球正面主要布滿大型的月海，而背面則密布撞擊坑，且月海的數(shù)量很少。形成月球正面和背面“二分性”差異的原因一直是科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)，目前主要存在兩種不同的觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為月球在距離地球很近的時(shí)候就形成了這種差異，即月球的原始不均一性，月球正面和背面的地球引力差異導(dǎo)致兩個(gè)半球內(nèi)部巖漿管道不勻稱，因此，月球正面發(fā)生了大量的巖漿噴發(fā)，而背面則保存了原始的月殼厚度。Wood對(duì)月殼進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)月球背面的月殼厚度比正面厚15～20 km，認(rèn)為這種差異源于月球慣性[1]。Apollo 15激光高度計(jì)數(shù)據(jù)顯示，月球質(zhì)量中心與月球形態(tài)中心存在2.1 km的偏移[2]，因此，月球轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性導(dǎo)致月球正面和背面的月殼厚度存在差異。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為在月球演化的初期，月球正面遭遇了巨型撞擊，撞擊出的大量月殼濺射物被拋射到背面，從而使背面的月殼厚度加厚[1]，巖漿則從薄月殼中噴出形成月海。然而，月球背面南極艾肯盆地（South PoleAitken）的成因卻不支持這種觀點(diǎn)。南極艾肯盆地是已確認(rèn)的月球上最古老的撞擊盆地[3]，直徑為2 000～2 600 km[45]，深度約為8 km[67]。通過(guò)對(duì)南極艾肯盆地的地質(zhì)研究，發(fā)現(xiàn)它是由一顆巨大隕石傾斜撞擊形成的。南極艾肯盆地的形成導(dǎo)致月球深部的巖漿轉(zhuǎn)移并集聚到月球正面；在隨后的月球演化中，巖漿溢入撞擊形成的盆地中形成大量月海[8]。除此之外，Cadogan和Whitaker分別提出了Gargantuan盆地和風(fēng)暴洋盆地的假說(shuō)[910]；Feldman等則提出月球正面中心應(yīng)該存在盆地的假說(shuō)[11]；Byrne通過(guò)建立模型來(lái)解釋月球正面和背面產(chǎn)生“二分性”的原因，認(rèn)為月球正面應(yīng)該存在一個(gè)撞擊形成的大型盆地，即月球正面大型盆地（Nearside Megabasin），其撞擊出的濺射物被拋射到月球背面，使背面的月殼變厚，從而形成了月球正面與背面的月殼厚度差異[12]，這與Wood提出的假設(shè)[1]相似；但是另一個(gè)新的假說(shuō)（即南極艾肯盆地假說(shuō)）則認(rèn)為，在月球背面形成的南極艾肯盆地引起了正面風(fēng)暴洋區(qū)域的變化，這種變化導(dǎo)致月球正面與背面的差異[8]。

前人從不同方面、不同角度推測(cè)了月球正面與背面形成差異的原因，但卻沒(méi)有綜合利用重力、地形和影像等數(shù)據(jù)從月球正面和背面本身的特征進(jìn)行分析?；诖耍疚膰L試通過(guò)綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)分析月球正面和背面的物理、化學(xué)和構(gòu)造特征差異，研究形成月球正面和背面差異性的動(dòng)力過(guò)程，進(jìn)而分析月球正面與背面的地質(zhì)演化差異，加深對(duì)月球起源和演化的理解，為研究地球乃至太陽(yáng)系起源與演化提供參考。

1物理特征差異

1.1亮度與高程

投影方式為正射投影；參考橢球?yàn)镈_Moon_2000；底圖為“嫦娥一號(hào)”數(shù)據(jù)

月球表面并不是光潔平滑的，而是凹凸不平的，月海和高地兩大地理單元的亮度也不相同。從“嫦娥一號(hào)”三線陣電荷耦合元件（Chargecoupled Device，CCD）獲得的影像圖[圖1（a）、（b）]和激光高度計(jì)（Laser Altimeter，LAM）獲得的高程圖[圖1（c）、（d）]可以看出，月球正面的整體反照率、高程值與背面具有明顯差異。月球正面廣泛分布著暗色的月海，反照率和高程低；而月球背面除占大部分區(qū)域的高地外，在南半球有很大一片亮度與高程較低的區(qū)域，屬于月球上最大、最古老的盆地——南極艾肯盆地，其平均高程比月海區(qū)域更低。月球正面和背面除了明顯的亮度和高程差異外，在影像上最顯著的特征就是密集分布的撞擊坑，部分年輕撞擊坑的輻射紋系統(tǒng)在影像上清晰可見(jiàn)。月海區(qū)域演化周期短，遭受后期撞擊少，表面較平坦；而高地和南極艾肯盆地形成時(shí)間早，長(zhǎng)期的撞擊作用嚴(yán)重破壞了早期結(jié)構(gòu)，留下了粗糙的現(xiàn)代月球表面形貌。

1.2月殼厚度

月殼厚度是研究月球起源和早期歷史主要分異事件的直接證據(jù)，因此，分析月球正面和背面的月殼厚度對(duì)研究其地質(zhì)演化差異具有重要的意義。Zuber等通過(guò)分析Clementine重力和地形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)月球背面的月殼厚度明顯高于月球正面，并且月球的質(zhì)量中心相對(duì)形態(tài)中心向月球正面偏移了2 km[7，13]；Ishihara等利用SELENE地形數(shù)據(jù)和重力數(shù)據(jù)計(jì)算出月殼厚度范圍為0～110 km，最小值在月球背面的莫斯科盆地內(nèi)，最大值在迪里克利特—杰克遜（DirichletJackson）盆地南部邊緣（6.9°N，16030°W），月殼平均厚度約為53 km[14]；Wieczorek等分別利用Clementine地形圖、Lunar Prospector重力數(shù)據(jù)以及LRO地形圖、GRAIL重力數(shù)據(jù)，通過(guò)建立不同模型來(lái)計(jì)算月殼厚度（圖2），發(fā)現(xiàn)最小值在月球背面的莫斯科盆地內(nèi)，其厚度小于1 km[1516]，這與Ishihara等的結(jié)論[14]相一致。這些研究充分說(shuō)明月球正面與背面的月殼厚度存在較明顯的差異性，月球正面的平均月殼厚度比背面小。通過(guò)分析月殼厚度，發(fā)現(xiàn)形成月殼厚度差異的原因除自身演化外，撞擊作用也起到了重要的作用。

1.3重力異常

重力場(chǎng)可以反映月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分的變化，為研究月球起源與演化提供了重要依據(jù)。Zuber等通過(guò)研究不同探測(cè)器獲取的重力數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)月球正面和背面的重力異常存在很大差異[7，1718]。從圖3可以看出：月球背面除了南極艾肯盆地和莫斯科盆地內(nèi)的重力異?？傮w程度上較高外，其他區(qū)域的重力異常都較低；而月球正面整體的重力異常都較高，且以雨海、澄海、危海、酒海和濕海的重力異常最高。月球的重力異常差異主要分布在由撞擊作用形成的盆地當(dāng)中，說(shuō)明重力異常的產(chǎn)生與外動(dòng)力地質(zhì)作用存在密切關(guān)系。

2巖石礦物特征差異

圖件數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[16]

起初，人類認(rèn)為月球表面只包括兩種單元，即較亮的高地和較暗的月海。然而，隨著月球樣品的返回以及對(duì)其進(jìn)行地球物理和巖相學(xué)的研究揭示月球經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)演化過(guò)程而最終形成現(xiàn)在的月貌[19]。跟地球一樣，月球表面也存在著不同的巖石類型，其劃分標(biāo)準(zhǔn)有很多。Stoffler等根據(jù)月球樣品研究結(jié)果將高地巖石劃分為火成巖、變質(zhì)巖、角礫巖[20]；Taylor 等根據(jù)月球樣品中鈦鐵礦含量（TiO2含量）將月海玄武巖分為高鈦、低鈦和極低鈦玄武巖[21]；凌宗成等將月球巖石類型劃分為月海玄武巖、高地斜長(zhǎng)巖、克里普巖（KREEP）和富鎂結(jié)晶巖套[22]；Jolliff等根據(jù)地質(zhì)動(dòng)力作用將月球巖石類型劃分為由內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用形成的非月海巖石、月海巖石和由外動(dòng)力地質(zhì)作用——撞擊作用形成的新巖石[23]。本文主要對(duì)月球表面的非月海巖石和月海巖石進(jìn)行分析，而對(duì)由撞擊作用形成的新巖石不再進(jìn)行說(shuō)明。非月海巖石是月球演化初期巖漿洋分異結(jié)晶的產(chǎn)物，一般具有粗粒深成巖結(jié)構(gòu)；而月海巖石是由固態(tài)月幔熔融噴出形成的巖石，以月海玄武巖為主[23]。由于月球正面和背面的非月海區(qū)域和月海區(qū)域分布極度不均一，兩者表面的巖石礦物特征分布存在很大的差異性。

2.1巖性

對(duì)月球表面整體巖性差異的分析，一般采用“標(biāo)準(zhǔn)伽利略彩色合成”方法來(lái)確定。其主要原理是利用波段比值的方法進(jìn)行假彩色影像合成。該方法可以消除地形變化對(duì)光譜反射率的影響，能增強(qiáng)顯示月球表面的物質(zhì)差異，對(duì)識(shí)別月球表面巖性具有較好的參考意義[2426]。本文運(yùn)用此方法，利用Clementine 探測(cè)器紫外可見(jiàn)吸收光譜（UVVIS）的415、750、950 nm等3個(gè)波段反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行假彩色影像合成，整體分析月球正面與背面的巖性分布差異（圖4）。

底圖為Clementine探測(cè)器UVVIS數(shù)據(jù)；紅色（R）表示750 nm和415 nm波段反射率比值；綠色（G）表示750 nm和950 nm波段反射率比值；藍(lán)色（B）表示415 nm和750 nm波段反射率比值

Clementine假彩色合成影像可以較好地揭示月球表面的物質(zhì)特征和成熟度（圖4）：紅色反映成熟的斜長(zhǎng)巖高地；綠色主要反映礦物中Fe2+含量，隨著FeO含量的增加而凸顯綠色；藍(lán)色主要反映成熟度與Ti含量（其與鈦鐵礦含量呈正相關(guān)關(guān)系）[2728]。因此，在非月海區(qū)域，紅色代表成熟的低鐵低鈦斜長(zhǎng)巖高地物質(zhì)，藍(lán)色代表年輕的撞擊坑掘出物質(zhì)，成熟度較低；在月海區(qū)域，藍(lán)色代表富鐵高鈦玄武巖，橘黃色、綠色代表富鐵低鈦玄武巖。從圖4可以看出，與月球背面相比，月球正面的橘黃色、綠色和藍(lán)色分布的區(qū)域較多，說(shuō)明月球正面的巖石成分富Fe、Ti，并且正面的藍(lán)色以靜海地區(qū)和第谷撞擊坑（Tycho，（434°S， 111°W），哥白尼紀(jì)）最為明顯。月球背面除了以橘黃色、綠色分布特征為主的南極艾肯盆地和輻射紋以藍(lán)色顯示的杰克遜撞擊坑（Jackson，（224°N，1631°W），哥白尼紀(jì)）外，其他區(qū)域主體以紅色為主，這說(shuō)明月球背面的巖石類型主要為斜長(zhǎng)巖高地。月球正面和背面巖性分布的差異性可以說(shuō)明月球表面化學(xué)分布存在不均一性。

2.2月海巖石

月海巖石以月海玄武巖為主，而月海玄武巖覆蓋大約17% 的月球表面，構(gòu)成約1% 的月殼體積[29]，因此，本文對(duì)月海巖石的分析主要以月海玄武巖為主。由于絕大多數(shù)月海分布在月球正面，并且其分布范圍約占整個(gè)月球正面表面積的一半，而只有東海、莫斯科海和智海等位于月球背面，所以月海玄武巖在月球正面和背面的分布極不均一（圖5）。月海玄武巖幾乎全部出露在月球正面的盆地中，在月球背面出露得很少。

在月球正面，構(gòu)成月海的玄武質(zhì)熔巖流通常都位于大型撞擊盆地內(nèi)，但構(gòu)成風(fēng)暴洋的火山熔巖流擴(kuò)展的范圍則比較廣。與正面不同，月球背面的熔巖流相對(duì)稀少，盡管有一些大型撞擊構(gòu)造（如南極艾肯盆地）也位于此面。這種充填月球盆地的熔巖流在分布和數(shù)量上的差異性，說(shuō)明月球正面盆地的玄武巖溢流程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背面盆地。導(dǎo)致月海玄武巖這種分布狀況的作用可能存在兩種[23]：第一種是玄武質(zhì)巖漿的噴發(fā)可能受控于巖漿輸送過(guò)程，它阻止月球背面的噴發(fā)，促進(jìn)正面盆地內(nèi)的噴發(fā)，同時(shí)可能受到包括諸如月殼厚度變化、巖漿浮力等因素影響；第二種是由巖漿生成作用的空間差異所引起，在這種情況下，月海厚度與下伏月幔產(chǎn)生的熔體量有關(guān)，月球背面熔巖流的稀缺性是該半球巖漿產(chǎn)出率低的結(jié)果。當(dāng)然，巖漿產(chǎn)出率和巖漿輸送過(guò)程都可能影響著月球玄武巖噴發(fā)作用的分布。

C為危海；Co為知海；F為豐富海；Fr為冷海；H為濕海；I為雨海；M為莫斯科海；N為酒海；Nu為云海；OP為風(fēng)暴洋；S為澄海；SPA為南極艾肯盆地；T為靜海；V為汽海

2.3非月海巖石

非月海巖石是月球演化初期巖漿洋分異結(jié)晶的產(chǎn)物，一般具有粗粒深成巖結(jié)構(gòu)，主要包括高地巖石、克里普巖和南極艾肯盆地巖石[23]。高地巖石主要由斜長(zhǎng)石組成，其體積分?jǐn)?shù)超過(guò)70%；克里普巖是月球上富含K、稀土元素（REE）和P的一種特殊巖石[30]；南極艾肯盆地作為特殊地體，其內(nèi)部的巖石類型也存在特殊性[31]。

非月海巖石幾乎占據(jù)了月球的大部分面積。從圖6可以看出：整個(gè)月球背面主要以非月海巖石分布為主，除了南極艾肯盆地內(nèi)部分布有月海玄武巖，其他地方分布的月海玄武巖面積很小；月球正面由于月海玄武巖的分布范圍較廣，所以其表面分布的非月海巖石面積比月球背面小。非月海巖石形成的年齡比月海巖石要老，一般為41～43 Ga。

月球高地區(qū)域月殼的主要物質(zhì)為斜長(zhǎng)巖，說(shuō)明月球在結(jié)晶分異時(shí)，密度小的斜長(zhǎng)石從巖漿洋析出并漂浮在頂部，逐漸冷卻形成高地月殼；而克里普巖是巖漿在結(jié)晶分異過(guò)程中，由不相容元素混合組成的殘留物；南極艾肯盆地的巖石類型則存在多種巖石（如蘇長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖、長(zhǎng)石和橄欖輝長(zhǎng)石）[32]。

3構(gòu)造特征差異

月球構(gòu)造特征能夠清晰地表達(dá)不同類型、不同級(jí)別的構(gòu)造形跡和構(gòu)造層序的時(shí)空分布規(guī)律以及對(duì)巖漿巖和火山活動(dòng)的控制作用[33]。月球構(gòu)造特征主要有環(huán)形構(gòu)造和線性構(gòu)造兩種形式，對(duì)其進(jìn)行研究可以揭示月球區(qū)域性或者全球性的撞擊作用程度與應(yīng)力狀態(tài)，能夠加深對(duì)月球正面和背面地質(zhì)演化差異的理解。

3.1環(huán)形構(gòu)造

月球表面環(huán)形構(gòu)造是遙感影像上形態(tài)、結(jié)構(gòu)或色調(diào)呈現(xiàn)環(huán)狀的環(huán)形體。月球表面環(huán)形構(gòu)造的形成原因主要有火山作用和撞擊作用兩種。前者包括月海穹窿、火山口等，后者包括撞擊盆地、撞擊坑等。

為了研究月球正面和背面環(huán)形構(gòu)造分布差異，本文利用“嫦娥一號(hào)”數(shù)據(jù)，在1∶2 500 000比例尺下利用ArcGIS軟件通過(guò)人機(jī)交互的方式對(duì)月球正面和背面的月海穹窿、火山口、撞擊盆地、撞擊坑（直徑不低于5 km）進(jìn)行識(shí)別與提取，并結(jié)合前人的研究結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充與修正。撞擊坑和撞擊盆地的數(shù)量及分布特征可以說(shuō)明月球正面和背面所受撞擊作用的程度及差異；月海穹窿、火山口的數(shù)量及分布特征則可以說(shuō)明月球正面和背面內(nèi)部地質(zhì)活動(dòng)的劇烈程度。從提取的環(huán)形構(gòu)造類型統(tǒng)計(jì)直方圖（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，月球表面的撞擊盆地、月海穹窿和火山口多分布在月球正面，而撞擊坑則多分布在月球背面。月球表面環(huán)形構(gòu)造分布差異說(shuō)明與月球背面相比，正面的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用活動(dòng)強(qiáng)烈，遭受的撞擊較少，而背面地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較弱，多形成中小尺度的撞擊事件（除南極艾肯盆地以外）。

3.2線性構(gòu)造

月球表面線性構(gòu)造是指月球表面以線狀延伸的構(gòu)造現(xiàn)象。根據(jù)線狀形跡的形態(tài)特征和構(gòu)造成因，月球表面的線性構(gòu)造可以劃分為多種類型。對(duì)于線性構(gòu)造類型準(zhǔn)確的劃分，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)線性構(gòu)造要素的成因及形態(tài)特征，將月球表面的線性構(gòu)造劃分為皺脊、月谷、月溪、地塹、坑鏈和坑底斷裂6種類型[34]。

對(duì)線性構(gòu)造的解譯與提取主要使用“嫦娥一號(hào)”、“嫦娥二號(hào)”CCD及美國(guó)軌道探測(cè)器獲得的LROC影像數(shù)據(jù)等，根據(jù)各構(gòu)造要素類型的形態(tài)、大小、色調(diào)、紋理及分布位置等信息進(jìn)行詳細(xì)解譯，再結(jié)合高程數(shù)據(jù)和美國(guó)月球地質(zhì)圖件等進(jìn)行多源數(shù)據(jù)綜合地質(zhì)解譯。月球表面的線性構(gòu)造能夠反映月球所受到的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)揭示月球內(nèi)部地質(zhì)活動(dòng)具有重要的意義。例如，皺脊代表了區(qū)域處于收縮擠壓的應(yīng)力狀態(tài)，月谷與地塹可指示區(qū)域的拉張應(yīng)力狀態(tài)等。

本文在對(duì)線性構(gòu)造進(jìn)行識(shí)別與提取時(shí)，首先利用Landserf軟件作為輔助對(duì)線性構(gòu)造進(jìn)行自動(dòng)提取，然后與CCD影像對(duì)比并進(jìn)行人工目視識(shí)別與手動(dòng)修改。本文總共提取2 812條線性構(gòu)造，即1 152條皺脊、14條月谷、659條月溪、204條地塹、220條坑鏈和563條坑底斷裂（圖8）。提取的線性構(gòu)造集中分布在月球正面的月海區(qū)域，而背面的線性構(gòu)造則主要分布在南極艾肯盆地中（圖8）。

根據(jù)線性構(gòu)造的分布特征，發(fā)現(xiàn)皺脊只在月海中存在，并且主要集中分布在風(fēng)暴洋及其附近的月海中，其他位置只在東海、洪堡海、史密斯海和莫斯科海中有少量分布。皺脊的分布特征說(shuō)明皺脊的形成與月海玄武巖充填沉降產(chǎn)生的壓縮構(gòu)造地形有關(guān)，暗示著其形成發(fā)生在月海玄武巖侵位以后，并且演化跨越了較長(zhǎng)的歷史時(shí)期。

月溪與皺脊的分布特征相近，月溪也主要存在于有月海玄武巖分布的地方，在風(fēng)暴洋及其周圍分布集中，但月溪還同時(shí)分布在月海盆地邊緣和高地周圍，其整體上與月海盆地呈同心圓狀分布或在盆地邊緣分布，其分布區(qū)域?qū)?yīng)了月海玄武巖沉降區(qū)的外邊界，暗示了月溪的構(gòu)造起源，此外在東海盆地和南極艾肯盆地周圍也有一些分布。由于地塹的形成與月海盆地沉降產(chǎn)生的局部張應(yīng)力或熱應(yīng)力有關(guān)，一般分布在盆地邊緣，所以在風(fēng)暴洋四周的盆地附近分布最多，而在月球背面高地地塹分布的數(shù)量較少，同時(shí)地塹的走向暗示著月球的應(yīng)力方向?？拥讛嗔阎饕植荚谥械纫?guī)模的撞擊坑中，并呈同心圓狀分布，尤其是靠近風(fēng)暴洋的撞擊坑。月谷主要是由巖漿流動(dòng)或月殼斷裂作用形成的，在月球正面和背面都有分布。

4地質(zhì)演化差異

月球正面與背面的“二分性”特征在一定程度上說(shuō)明了月球正面與背面的地質(zhì)演化存在明顯差異，其差異的形成可能受多種因素影響。基于此，本文通過(guò)分析月球正面和背面的物理特征、化學(xué)特征及構(gòu)造特征分布差異來(lái)推測(cè)月球正面和背面差異形成的演化過(guò)程。

對(duì)于月球的起源，目前主要存在4種假說(shuō)，分別是共振潮汐分裂假說(shuō)、捕獲假說(shuō)、共增生假說(shuō)和大碰撞分裂假說(shuō)。其中被廣泛接受的大碰撞分裂假說(shuō)認(rèn)為月球是由行星與地球相撞形成的，在形成的初始階段，整個(gè)月球處于熔融或部分熔融的巖漿洋狀態(tài)[35]。月球從巖漿洋狀態(tài)到目前的面貌經(jīng)歷了不同的演化歷史階段。月球的演化歷史主要包括內(nèi)部的熱演化、巖漿演化（內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用演化過(guò)程）和以隕石撞擊為主的外動(dòng)力地質(zhì)作用演化過(guò)程[29]。根據(jù)大碰撞分裂假說(shuō)，月球形成之后具有全球性的巖漿洋，隨著溫度降低，巖漿洋冷卻結(jié)晶形成原始月殼。隨后，硬化的月殼遭受古老撞擊事件并保存其形成的撞擊盆地，雖然在后期又經(jīng)歷了劇烈的改造，但其大部分的整體形貌特征還能夠被識(shí)別出來(lái)。月球上廣闊的玄武巖噴發(fā)發(fā)生在大型盆地形成之后，在此階段形成了月球上的22個(gè)月海。月海事件之后，月球在大約30 Ga逐漸失去了內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用，撞擊作用成為了控制月球演化的主要因素，形成了后期新鮮的撞擊坑。因此，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的不同，月球的演化過(guò)程可以劃分為3個(gè)階段：第一階段以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主（4.20～4.56 Ga），包括從月球形成到巖漿洋演化結(jié)束后月球表面開(kāi)始形成有記錄的撞擊事件痕跡；第二階段為內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用并存階段（3.16～4.20 Ga），主要事件包括形成大型撞擊盆地的撞擊事件以及月海玄武巖泛濫；第三階段以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主（0～3.16 Ga），月球的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用基本結(jié)束，不同規(guī)模的撞擊事件時(shí)有發(fā)生，月壤形成[3638]。

4.1以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段（4.20～4.56 Ga）

月球在以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主時(shí)，巖漿洋發(fā)生結(jié)晶分異，橄欖石和輝石等礦物析出并下沉形成月幔；密度小、容易漂浮的斜長(zhǎng)石則聚集在月球表面形成月殼；不相容的礦物則最終形成克里普巖分布于月殼與月幔之間[30，35]。巖漿洋的結(jié)晶分異導(dǎo)致月球化學(xué)特征產(chǎn)生差異。通過(guò)分析月球正面和背面巖石礦物特征分布的不均一性，可以推測(cè)月球在結(jié)晶分異階段的化學(xué)元素存在原始不均一性，從而在隨后的撞擊盆地及月海玄武巖充填時(shí)導(dǎo)致月球化學(xué)特征分布的不均一性。Jolliff 等利用月球Clementine多光譜數(shù)據(jù)和Lunar Prospector伽馬譜數(shù)據(jù)，根據(jù)巖石類型將月球表面劃分為風(fēng)暴洋克里普巖質(zhì)地體、長(zhǎng)石質(zhì)高地地體和南極艾肯盆地地體3種，說(shuō)明月球化學(xué)特征分布具有明顯的差異性[31]。月球正面和背面的月海區(qū)域內(nèi)玄武巖富含Ti，而其他高地巖石則富含硅鋁酸鹽礦物，這說(shuō)明月球形成月海玄武巖與高地巖石的差異，與月球化學(xué)元素分布存在原始不均一性具有密切的聯(lián)系。

月球正面和背面月海玄武巖分布的高度不均一，說(shuō)明月球正面的巖漿分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于月球背面，而導(dǎo)致這種分布狀況的原因可能有兩種：第一種是在月球形成初期，由于月球正面和背面的重力場(chǎng)存在差異，使得月球在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)更多的巖漿移動(dòng)到月球正面，而只有少量的巖漿保留在月球背面，導(dǎo)致月球內(nèi)部巖漿噴發(fā)的不對(duì)稱性；第二種是月球早期的化學(xué)成分分布的不均一性，使得月球正面分布的放射性元素比背面多，同時(shí)由于放射性元素在加熱時(shí)溫度不同，導(dǎo)致月球正面比背面的溫度高，所以在后期月球表面遭受隕石撞擊時(shí)，撞擊體在月球正面受到的阻力小，而背面由于溫度低，則受到的阻力大，從而在月球正面更容易形成直徑較大的撞擊坑。

在月球形成初期，不僅月球內(nèi)部可能形成初始的差異，月殼厚度也可能形成差異。根據(jù)GRAIL重力數(shù)據(jù)反演得到的月殼厚度，可以發(fā)現(xiàn)月球正面的平均月殼厚度比背面小，進(jìn)而推測(cè)月殼厚度形成差異的可能性，月球在最終形成月殼時(shí)，巖漿洋結(jié)晶分異不均一，導(dǎo)致月球背面的月殼比正面厚。因此，月球內(nèi)部巖漿分布的不均一和月殼厚度的不均一為形成月球正面與背面的地質(zhì)構(gòu)造差異提供了初始條件。

4.2內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用并存階段（3.16～4.20 Ga）

月球在以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段形成月殼厚度及化學(xué)成分的初始差異之后，經(jīng)歷了大撞擊階段與玄武巖充填階段，此過(guò)程的形成包含兩種動(dòng)力地質(zhì)作用，即外動(dòng)力地質(zhì)作用和內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用。大撞擊階段使月球表面形成了很多大型撞擊盆地，并且月球正面形成的大型撞擊盆地?cái)?shù)量比背面多。對(duì)于撞擊盆地形成的不均一性，Miljkovic等認(rèn)為是月球正面與背面內(nèi)部溫度及月殼厚度的差異引起的[39]。月球正面分布的生熱元素和火山活動(dòng)比背面活躍，導(dǎo)致月球正面的溫度比背面高，因此，當(dāng)撞擊體撞擊月球表面時(shí)，撞擊體在月球正面受到的阻力比背面小，從而其表面形成的撞擊盆地直徑比背面大。

大型撞擊事件后發(fā)生的月海泛濫，導(dǎo)致大量玄武巖漿溢流出月球表面，填充撞擊盆地形成月海，塑造了月球表面最主要的大尺度地形特征[4041]。充填月球盆地的熔巖在分布和數(shù)量上存在差異，月球正面盆地的玄武巖溢漫程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于月球背面盆地。月海玄武巖的不對(duì)稱分布被認(rèn)為是在月球背面一側(cè)月殼厚度大以及地球引力作用的結(jié)果。但月海玄武巖的不均勻分布不單單是由月球厚度控制，應(yīng)該還有其他控制因素，如后期熱流和巖漿產(chǎn)出率的變化等[9]。

4.3以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段（0～3.16 Ga）

隨著月球大量大型撞擊作用以及月海充填作用的基本停止，月球正面和背面的演化主要以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主，包括月球的晚期撞擊和月壤的形成階段。在此期間，月球正面和背面除受小規(guī)模的隕石撞擊之外，還受空間風(fēng)化作用的影響，使月球表層巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，從而形成月壤。因此，在以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段，月球正面和背面的地質(zhì)演化差異基本停止，只有月球表面還在遭受著小規(guī)模隕石撞擊和空間風(fēng)化作用，此過(guò)程對(duì)形成月球正面與背面的差異影響較小。

5結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)分析月球正面和背面的物理特征、巖石礦物特征及構(gòu)造特征分布差異，可以解釋月球正面與背面的地質(zhì)演化差異。月球正面和背面的物理特征分布差異可能反映兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)及演化存在不對(duì)稱性；巖石礦物特征分布差異則可能表明月球正面和背面的化學(xué)分布存在原始不均一；構(gòu)造特征分布差異可能反映兩者所受到構(gòu)造應(yīng)力的差異。

（2）月球正面和背面的物理特征、化學(xué)分布和構(gòu)造特征都存在很大的不同。以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段和內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用并存階段是造成月球正面和背面地質(zhì)演化差異的兩個(gè)主要階段，而以外動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段對(duì)月球正面和背面地質(zhì)演化差異的形成影響較小。

本文所使用的“嫦娥一號(hào)”數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)，GRAIL重力數(shù)據(jù)和Clementine數(shù)據(jù)下載自美國(guó)NASA PDS影像數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，月殼厚度數(shù)據(jù)使用巴黎地球物理學(xué)院Mark A. Wieczorek研究員的研究成果，在此一并表示衷心的感謝！

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