月球阿波羅盆地區(qū)域月殼結(jié)構(gòu)及光譜特征

郭弟均，劉建忠，HEAD W. James，李帥，POTTER W. K. Ross ，林紅磊

（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 550002；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100014；3. Department of Earth，Environmental and Planetary Sciences，Brown University，Providence 02912；4. University of Hawaii at Manoa，Honolulu，HI 96822；5. 中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101）

引 言

直徑492 km的阿波羅盆地位于平均直徑約2 240 km的月球南極-艾肯（South Pole-Aitken Basin，SPA）盆地的內(nèi)環(huán)邊界上[1-2]。古老的SPA盆地對(duì)于認(rèn)識(shí)月球構(gòu)造格架的劃分和地質(zhì)演化歷史具有重要意義[3-5]。在南極-艾肯盆地內(nèi)部的撞擊構(gòu)造中，阿波羅盆地是其中最大的一個(gè)，挖掘深度也最深，形成了南極-艾肯盆地之內(nèi)的最薄月殼厚度。阿波羅盆地屬于前酒海紀(jì)，根據(jù)不同的研究結(jié)果，其絕對(duì)年齡可能在3.9～3.92 Ga或4.1～4.2 Ga之間[6-8]。作為峰環(huán)盆地，阿波羅盆地的中央峰環(huán)直徑為247 km，高出盆地底部1～2 km[9]。

撞擊模擬表明SPA盆地瞬時(shí)穴直徑為840 km[10]，因此，阿波羅盆地跨越SPA盆地瞬時(shí)穴和改造區(qū)（如圖1所示），這個(gè)特殊的位置可能造成阿波羅盆地內(nèi)部的成分差異和不同的物質(zhì)來源[11]，同時(shí)也造成了其極不對(duì)稱的月殼結(jié)構(gòu)。另一方面，其他研究表明，SPA盆地?fù)碛懈蟮乃矔r(shí)穴直徑，如1 260 km[12]，這將使阿波羅盆地完全位于SPA瞬時(shí)穴內(nèi)部。在這種情形下，在阿波羅撞擊事件發(fā)生前盆地所在區(qū)域的物質(zhì)就代表被SPA挖掘的來自下月殼甚至月幔的月球內(nèi)部成分。

阿波羅盆地靠近SPA盆緣部分的月殼厚度約為40 km，靠近SPA中心部分的月殼厚度約為20 km（圖1）。對(duì)于大型撞擊作用，薄月殼情形和厚月殼情形下的物質(zhì)流動(dòng)過程具有差異[13]，將導(dǎo)致不同的物質(zhì)堆積結(jié)果。數(shù)值模擬結(jié)果表明阿波羅盆地撞擊事件挖掘出了大于30 km的深月球內(nèi)部物質(zhì)[11]。在峰環(huán)盆地中，峰環(huán)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)起源可能接近最大挖掘深度[1]。對(duì)于阿波羅盆地，如果月殼厚度為20 km，則峰環(huán)的主要組成物質(zhì)將是月幔成分，如果月殼厚度為40 km，則其峰環(huán)成分主要組成物質(zhì)是下月殼物質(zhì)[11]。

圖1 阿波羅盆地區(qū)域高程和月殼厚度Fig.1 The elevation and crustal thickness of Apollo basin region

大量模型和計(jì)算都表明，阿波羅盆地挖掘深度到達(dá)月幔，其中央峰環(huán)在很大程度上代表了月幔的物質(zhì)成分。然而，阿波羅盆地峰環(huán)物質(zhì)為蘇長質(zhì)而不是預(yù)想的富橄欖石巖性[1]。這是否說明月幔上層礦物主要為輝石而不是橄欖石？另一方面，大量研究都支持在月殼內(nèi)部存在一個(gè)厚度數(shù)十千米純斜長巖（≥ 98%斜長石）層[16-18]。早期研究中，純斜長巖在幾乎所有的峰環(huán)結(jié)構(gòu)包括同樣位于SPA盆地內(nèi)部盆緣附近的薛定諤盆地上都有被發(fā)現(xiàn)[1]，而在阿波羅盆地峰環(huán)上卻沒有探測(cè)到。因此有必要對(duì)阿波羅盆地的月殼結(jié)構(gòu)和成分出露進(jìn)行更詳細(xì)的研究，結(jié)合更廣闊的地質(zhì)背景和區(qū)域演化歷史，為解開圍繞月殼/幔結(jié)構(gòu)和成分、SPA盆地和SPA盆地-酒海紀(jì)地層序列的問題提供一些線索，也為未來月球著陸探測(cè)和樣品采集選址提供參考。本文以阿波羅盆地為研究對(duì)象，以區(qū)域月球結(jié)構(gòu)和盆地各地質(zhì)單元表面物質(zhì)在1 μm、2 μm的光譜吸收特征為主要研究內(nèi)容，揭示了盆地不對(duì)稱的月球結(jié)構(gòu)和礦物成分的分布特征。

1 阿波羅盆地區(qū)域月殼結(jié)構(gòu)

受SPA盆地巨大內(nèi)外地形差異的影響，位于SPA內(nèi)環(huán)上的阿波羅盆地具有顯著的二分特征：沿著SPA盆地向外靠近盆地環(huán)的北東方向地形高，而向SPA盆地內(nèi)部的南西方向地形低，如圖1（b）、圖2（a）、圖2（b）所示。由于長時(shí)間的后期地質(zhì)過程中原始盆地物質(zhì)垮塌，阿波羅盆地盆緣和峰環(huán)處的地形并不全在局部地形最高位置上，如圖2（a）、圖2（b）所示。阿波羅盆地外，北東方向的平均地形高程約為3.5 km，而南西方向的平均地形高程約為-4.5 km，高程差達(dá)8 km左右。在盆地內(nèi)部，整體平均高程約為-4.6 km，最低處僅有約-6.3 km。峰環(huán)的高程平均高出盆底2～3 km，月殼厚度在這個(gè)位置上有增加的趨勢(shì)，但在位置上有向外的偏移，且范圍更寬，如圖2（a）、圖2（b）所示。

Wieczorek等根據(jù)GRIL重力場數(shù)據(jù)計(jì)算得出了4個(gè)月殼厚度模型[14]，其中模型1和模型2的平均月殼厚度比模型3和模型4的更薄。阿波羅盆地的月殼厚度也具有與地形趨勢(shì)一致的強(qiáng)烈的二分性，如圖1（b）、圖2（a）和圖2（b）所示。根據(jù)不同的月殼厚度模型，在盆地外，北東方向平均月殼厚度在50.4～61.9 km之間，而南西方向?yàn)?7.4～25.5 km之間，這也代表了SPA盆地內(nèi)部的平均月殼厚度。在阿波羅盆地內(nèi)部，平均月殼厚度在19.8～28.1 km之間，而最薄的厚度根據(jù)不同的模型僅為2.0 ～6.4 km之間。在阿波羅盆地峰環(huán)內(nèi)部，由于撞擊后莫霍面上移，平均月殼厚度僅為7.4～12.9 km之間。如果考慮最薄的月殼厚度模型，直徑大于20 km的撞擊坑就有可能穿透部分月殼到達(dá)月幔，并可能拋射出月幔物質(zhì)。

圖2 北東-南西（NE-SW）和北西-南東（NW-SE）方向的月表高程、月殼厚度和莫霍面位置剖面Fig.2 The profiles of surface elevation，crustal thickness and moho depth of NE-SW and NW-SE direction

在撞擊作用過程中，撞擊點(diǎn)的內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)會(huì)向上抬升[19]。阿波羅盆地形成于月殼厚度本來就偏薄的位置，而形成這個(gè)規(guī)模的盆地必然伴隨巨大的撞擊能量，從而引起顯著的莫霍面抬升。如圖2（c）、圖2（d）所示，莫霍面抬升主要發(fā)生在峰環(huán)內(nèi)部。根據(jù)不同的月殼厚度模型，相較于盆地中心的莫霍面在北西、南東方向分別高出約26～33 km和20～25 km，在北東、南西方向分別高出約32～40 km和約18～23 km。莫霍面抬升為后期撞擊挖掘出月幔物質(zhì)提供了更大的可能性。

2 阿波羅盆地區(qū)域光譜特征

2.1 光譜數(shù)據(jù)處理

我們使用M3數(shù)據(jù)的OP2C觀測(cè)周期的數(shù)據(jù)拼接了空間分辨率280 m覆蓋阿波羅盆地研究區(qū)域的M3高光譜數(shù)據(jù)并進(jìn)行了熱輻射校正[20]。對(duì)于月球，在光譜上表現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收特征主要是Fe2+引起的在1 μm附近（Band I）和2 μm附近（Band II，主要貢獻(xiàn)礦物為輝石）吸收。其中出現(xiàn)1 μm吸收的主要礦物為斜長石約1.25 μm，輝石約1 μm，橄欖石約1.15 μm，出現(xiàn)2 μm吸收的主要礦物為輝石[21]。而輝石中單斜輝石（CPX）的1 μm、2 μm吸收中心波長通常比斜方輝石（OPX）長（如Klima等[22]和Klima等[23]）。M3數(shù)據(jù)在靠近陰影區(qū)和極地信噪比較低。為了能夠計(jì)算盡量寬范圍的光譜特征，在提取光譜吸收參數(shù)之前，我們對(duì)每一個(gè)像元光譜以3 × 3窗口進(jìn)行平均，并按照窗口為3個(gè)波段進(jìn)行維納濾波。

在進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)去除的過程中，我們參考了PLC（Parabolic absorption band fitting after removing a twopart Linear Continuum）對(duì)Band I和Band II進(jìn)行了分別去除[24]，不同之處是使Band I的右節(jié)點(diǎn)和Band II的左節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立以使它們分別得到最好的連續(xù)統(tǒng)。對(duì)于Band I，左節(jié)點(diǎn)固定在0.7 μm波段，右節(jié)點(diǎn)選擇在1.1～1.78 μm之間某一波段與左節(jié)點(diǎn)斜率最大之處；對(duì)于Band II，右節(jié)點(diǎn)固定在2.50 μm波段，左節(jié)點(diǎn)選擇在1.1～2.02 μm之間某一波段與右節(jié)點(diǎn)斜率最小之處?；谶B續(xù)統(tǒng)去除之后的光譜，我們按照PLC的方式進(jìn)行最佳拋物線擬合并提取吸收中心（EBC）和吸收深度（EBD）[24]。

2.2 光譜在1 μm和2 μm波段的主要吸收特征

受光照條件的影響，研究區(qū)域內(nèi)位于光照陰影區(qū)的撞擊坑右側(cè)坑壁上有強(qiáng)烈的噪聲，如Borman坑和Dryden坑，這些位置上的光譜吸收參數(shù)在考慮時(shí)需要排除，參見圖3（a）。受太空風(fēng)化的影響，暴露在月表的物質(zhì)將逐漸變得成熟，逐漸減弱直到失去礦物在光譜上的吸收特征。

阿波羅盆地中反射率最低的地質(zhì)單元是盆地中的月海，參見圖3（a）。根據(jù)LROC團(tuán)隊(duì)發(fā)布的月海邊界，阿波羅盆地中共有5個(gè)月海出露。根據(jù)不同研究結(jié)果，阿波羅盆地內(nèi)月海出露年齡最晚可能為2.44～2.49 Ga，最早可能到3.51～3.63 Ga[25-26]。在南西方向鄰近SPA盆地中心的區(qū)域，反射率比鄰近SPA盆地環(huán)的區(qū)域更低，該區(qū)域位于SPA盆地瞬時(shí)穴之內(nèi)，同時(shí)在SPACA的覆蓋范圍內(nèi)。

圖3 阿波羅盆地區(qū)域的光譜特征Fig.3 The spectral characteristics of the Apollo basin region

圖3（b）展示了光譜在Band I和Band II的吸收深度假彩色合成影像。橙色的月海區(qū)域光譜在1 μm和2 μm都有吸收，且在1 μm的吸收更加強(qiáng)烈。后期撞擊坑如晚雨海紀(jì)Dryden坑，色調(diào)偏黃，表明光譜在1 μm和2 μm的吸收強(qiáng)度都比較強(qiáng)。在研究區(qū)域從北東到南西向，色調(diào)呈現(xiàn)從藍(lán)到黃的趨勢(shì)。在研究區(qū)域靠近SPA中心的南西方向，表現(xiàn)出更強(qiáng)的1 μm、2 μm吸收特征，輝石含量更高；而在遠(yuǎn)離盆地的北東方向，有更多原始月殼的斜長石混合，輝石的吸收特征更弱。阿波羅盆地的峰環(huán)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷太空風(fēng)化時(shí)間長，整體上沒有吸收特征，但是新鮮撞擊坑附近明顯的吸收特征表明其成分輝石含量高。

阿波羅盆地區(qū)域光譜在Band I和Band II的吸收中心分別如圖3（c）和圖3（d）所示。月海的物質(zhì)來源可能是上百km的月幔，通過巖漿通道噴發(fā)出月表。M3數(shù)據(jù)表明阿波羅盆地月海的1 μm、2 μm吸收峰位置在CPX區(qū)間[22-23]。峰環(huán)結(jié)構(gòu)上的成分可能代表了阿波羅盆地撞擊事件挖掘出的最深物質(zhì)。阿波羅盆地峰環(huán)結(jié)構(gòu)上少量有吸收特征的物質(zhì)表明，其吸收特征為短波長吸收的OPX，但主要礦物可能為斜長石。在阿波羅盆地內(nèi)，盡管吸收峰在Mg輝石區(qū)間，但北東方向吸收波長偏向長波而南西方向的吸收波長偏向短波，可能的原因是北西方向混合了更多CPX，但其來源還無法判斷。

3 結(jié)束語

阿波羅盆地外北東方向鄰近SPA盆地外緣處月殼較厚，物質(zhì)來源主要為原始月殼成分、SPA盆地及后期盆地濺射物堆積的風(fēng)化層。在此區(qū)域內(nèi)包括阿波羅盆地盆壁上，1 μm、2 μm吸收峰位置波長較長，主要成分可能為CPX。但在盆底和盆地西南方向，1 μm、2 μm吸收峰位置波長較短，主要成分可能為OPX。盆地峰環(huán)上僅有少數(shù)位置被檢測(cè)出吸收特征，均為短波吸收的OPX，但可能混合了大量斜長石。相較于盆地內(nèi)的其他地質(zhì)單元，5個(gè)月海區(qū)都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的CPX吸收特征。位于SPA盆地另一端的薛定諤盆地其峰環(huán)主要礦物也是OPX，但是月海成分是含有斜長石的CPX[27]。在阿波羅盆地外靠近SPA中心的區(qū)域，光譜特征主要為CPX，且具有較強(qiáng)的1 μm、2 μm吸收。對(duì)于SPA環(huán)形構(gòu)造，盡管吸收特征少，但新鮮撞擊坑挖掘的物質(zhì)依然表現(xiàn)出強(qiáng)烈的CPX/OPX吸收光譜，其來源可能為SPA撞擊或阿波羅盆地撞擊拋射出的下月殼或月幔物質(zhì)。對(duì)阿波羅盆地區(qū)域詳細(xì)的光譜特征研究與Moriarty和Pieters 以及Melosh等的研究結(jié)果一致[15,28]。Melosh等認(rèn)為在阿波羅盆地外的北部的OPX是SPA盆地撞擊事件中從月幔挖掘的月球內(nèi)部物質(zhì)，因此推測(cè)月幔的主要成分是低鈣輝石[28]，這與本文得到的同樣可能來源于深部月幔的阿波羅盆地峰環(huán)物質(zhì)主要為低鈣輝石相一致。

本研究主要分析了阿波羅盆地區(qū)域的月殼結(jié)構(gòu)，以及與空間和重要地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)的整體光譜吸收特征。然而，區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)來源比較復(fù)雜，巨大的高程剖面上可能既有原始月殼的成分又有不同演化階段的物質(zhì)，如SPA撞擊堆積的濺射物和環(huán)形構(gòu)造、阿波羅盆地濺射物和其他撞擊事件濺射物堆積的風(fēng)化層，以及可能晚止2.44 Ga早至3.63 Ga的月海物質(zhì)。另一方面，作為古老的地質(zhì)構(gòu)造，不同來源的物質(zhì)在這里進(jìn)行了比較充分的混合。正因?yàn)槿绱耍绻诎⒉_盆地采樣可以采集到盡量多起源的物質(zhì)，為完整梳理月球演化和不同深度物質(zhì)成分提供寶貴資料。SPA盆地內(nèi)另一個(gè)采樣返回的熱點(diǎn)區(qū)域是薛定諤盆地。相比而言，阿波羅盆地直徑更大，挖掘深度更深，其緯度位于低緯地區(qū)，比接近南極的薛定諤盆地采樣更容易實(shí)現(xiàn)。