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空间科学攀登团队利用嫦娥四号光谱探测揭秘月球南极-艾肯成分异常区成因

发布日期:2022年06月09日 15:43 浏览次数:

本站讯  近日,山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队行星科学课题组在嫦娥四号着陆区地质成因研究方面取得新进展,通过对玉兔二号月球车在嫦娥四号着陆区的原位可见近红外光谱数据分析和解译,提出月壳是南极-艾肯成分异常区的主要物质来源,为未来SPA盆地乃至月球深部物质的探测提供了重要约束。该研究以“嫦娥四号光谱观测的辐射传输模型解译与南极-艾肯成分异常区成因”为题,发表在国际期刊The Astrophysical Journal Letters上。论文第一作者为行星科学课题组博士后陈剑,通讯作者为行星科学课题组PI凌宗成教授。

南极-艾肯盆地是月球上最大的撞击盆地。研究南极-艾肯盆地对于揭示月球不对称性起源、撞击过程、早期演化过程以及深部物质成分具有重要意义。1994年,克莱门汀号月球探测任务首次获得全球数据,并发现月球背面的南极-艾肯盆地内部存在异常的物质成分。自此之后,南极-艾肯盆地区域就一直受到月球科学界的广泛关注。南极-艾肯盆地是月球表面最大的撞击盆地,直径超过2400 km,因此其中的物质成分异常区被认为与形成盆地的大型撞击事件有关,可能是挖掘出的月球深部物质成分以及撞击过程中产生的大规模熔融物。

南极-艾肯盆地底部的物质成分异常具体表现在:镁铁质硅酸盐矿物(月球表面主要是辉石和橄榄石)含量以及Fe含量显著高于盆地外围区域(图1)。

1. 南极-艾肯盆地内外Fe、辉石含量分布

由于这一镁铁质异常特征的存在,以往的南极-艾肯盆地物质成分相关研究大多只注重镁铁质矿物,甚至引发了有关月幔是橄榄岩还是辉石岩的争论。虽然根据月球岩浆洋假说,橄榄石和辉石是月幔的主要矿物,但是月壳形成之后的深成岩浆侵入作用同样能够在月壳中形成富集橄榄石或辉石的岩石,例如阿波罗登月任务所采回的纯橄榄岩样品,因此富集橄榄石或辉石并不能作为源自月幔的证据。迄今为止还没有南极-艾肯盆地的样品返回,无法获知成分异常区物质的微量元素和同位素特征,目前通过轨道遥感或原位探测可获得的物质成分信息中,斜长石含量也是区分壳源和幔源岩石的关键指标。

我国嫦娥四号探测器2019年着陆于冯·卡门撞击坑内,冯·卡门撞击坑底部受到芬森撞击坑溅射物影响,而芬森撞击坑则位于南极-艾肯盆地底部的成分异常区之内,因此嫦娥四号的光谱探测为深入认识南极-艾肯成分异常区的成因提供了机遇。山东大学空间科学研究院行星科学研究中心联合圣路易斯华盛顿大学、夏威夷大学、中科院地化所、上海技物所的科研人员,利用辐射传输模型对嫦娥四号光谱观测数据开展了矿物学反演研究。研究结果表明,嫦娥四号着陆区的月壤具有相对均一的矿物学特征(图2),介于冯·卡门玄武岩与芬森撞击坑溅射物成分之间。

2. 嫦娥四号巡视路径及沿途月壤矿物含量

芬森撞击坑溅射出的南极-艾肯成分异常区物质中的斜长石含量超过了撞击熔融体分异过程所能演化出的斜长石含量,因此南极-艾肯成分异常区矿物学特征的形成需要额外的月壳物质加入(图3)。前人基于其它月球探测数据反演的斜长石含量或Al元素含量分布结果也显示南极-艾肯成分异常区具有较高的斜长石/Al含量。虽然数值模拟研究认为,在南极-艾肯撞击挖掘过程中,月壳已经被完全剥离,但在随后的改造阶段,瞬时坑壁的垮塌可能导致部分月壳物质滑落回盆地底部。另外,南极-艾肯撞击事件之后的其它盆地撞击事件也对南极-艾肯盆地底部产生了回填作用,南极-艾肯盆地形成时暴露出的月幔物质或撞击熔融产物很可能已经被月壳物质稀释。矿物学与地球化学解混分析结果表明,南极-艾肯成分异常区表面月壤由~70%月壳物质与~30%富集Fe与不相容元素的物质混合而成。

3. 嫦娥四号着陆区矿物组分及其来源储库

原文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6e6c.Chen J, Ling Z, Jolliff B L, et al. Radiative transfer modeling of Chang'e-4 spectroscopic observations and interpretation of the South Pole-Aitken compositional anomaly.The Astrophysical Journal Letters, 2022. 931(2). L24.

近年来,空间科学攀登团队行星科学课题组围绕嫦娥工程、天问一号等深空探测国家战略需求,在月球地质学、陨石学及天体化学、行星遥感与光谱学等方面取得了一系列研究成果。目前针对嫦娥四号着陆区形貌、物质成分、年代学、浅层结构及“玉兔二号”实测数据解译等方面,行星科学课题组已在Astronomy & AstrophysicsIcarusPlanetary and Space ScienceScience ChinaRemote Sensing等杂志发表学术论文8篇。本研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院战略性先导专项、民用航天技术预先研究项目以及国家留学基金委的资助。

 

作者:陈剑   来自:空间科学与物理学院     责任编辑:单小平、傅振国