我國(guó)嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器于2020年12月著陸于月球正面風(fēng)暴洋克里普地體（Procellarum KREEP Terrane，PKT）的東北部地區(qū)，隨后對(duì)著陸點(diǎn)附近的月表物質(zhì)進(jìn)行了采樣并成功將1731克月壤樣品帶回地球。風(fēng)暴洋克里普地體的東北部地區(qū)之所以被選擇成為嫦娥五號(hào)任務(wù)的著陸區(qū)，主要在于它被認(rèn)為是月球表面最年輕的玄武巖單元之一并且富含鈾、釷、鉀等生熱元素。先前基于熱化學(xué)與動(dòng)力學(xué)的模擬研究認(rèn)為，風(fēng)暴洋克里普地體中富含的生熱元素恰恰是維持月球火山活動(dòng)的主要原因。因此，對(duì)于嫦娥五號(hào)著陸區(qū)玄武巖厚度及其噴發(fā)速率的研究將進(jìn)一步增進(jìn)對(duì)于月球火山活動(dòng)與內(nèi)部熱演化歷史的認(rèn)識(shí)。
圖1. 嫦娥五號(hào)著陸區(qū)的（a）光學(xué)影像、（b）假彩色波段合成影像以及（c）鈦含量分布圖。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室都駿博士后、劉洋研究員，聯(lián)合來自北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)以及山東大學(xué)（威海）的科研人員，對(duì)嫦娥五號(hào)著陸區(qū)的玄武巖厚度進(jìn)行了估算。首先，依據(jù)嫦娥五號(hào)著陸區(qū)撞擊坑濺射物中鈦含量的分布特征，并結(jié)合月表撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年結(jié)果與嫦娥五號(hào)玄武巖樣品的放射性同位素定年結(jié)果，確定了嫦娥五號(hào)著陸點(diǎn)及周邊地區(qū)玄武巖單元的形成先后順序（圖1）。接著，利用光學(xué)、地形、光譜以及重力等多源遙感數(shù)據(jù)，基于穿透與未穿透撞擊坑的挖掘深度、部分淹沒撞擊坑的地形演化過程以及描述重力與地形相關(guān)程度的有效密度譜，估算了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)各下伏玄武巖單元的厚度（圖2）。
研究結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)至少經(jīng)歷了四次火山巖漿噴發(fā)，厚度中值分別為230米、70米、4米以及36米（圖3a）。而從玄武巖厚度的空間分布趨勢(shì)來看，可以發(fā)現(xiàn)隨著距離Rima與Mairan兩條月溪越遠(yuǎn)，玄武巖的厚度逐漸遞減，這表明Rima與Mairan兩條月溪的火山口為嫦娥五號(hào)著陸區(qū)玄武巖的噴發(fā)源頭（圖3b）。進(jìn)一步地，結(jié)合各玄武巖單元的面積與年齡估算結(jié)果，計(jì)算了嫦娥五號(hào)著陸區(qū)玄武巖的噴發(fā)速率，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的巖漿噴發(fā)通量在月球火山活動(dòng)晚期（約20億年前）有顯著（約2個(gè)數(shù)量級(jí)）增強(qiáng)（圖3c）。
圖2.（a）典型穿透坑（黑色箭頭）與未穿透坑（藍(lán)色箭頭）的鈦含量分布圖。（b）典型部分淹沒撞擊坑的光學(xué)影像，其中白色箭頭指示了撞擊坑濺射物與玄武巖的邊界。（c）研究區(qū)域的無空氣重力異常，由此可進(jìn)一步計(jì)算得到有效密度譜。
基于熱化學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型的研究認(rèn)為，月球正面風(fēng)暴洋克里普地體中富含生熱元素是月球晚期火山活動(dòng)依舊活躍的主要原因（Laneuville等，2018，JGR）。然而，最新的樣品研究結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)的玄武巖并非克里普玄武巖（Tian等，2021，Nature）。本研究提出一種可能性，即風(fēng)暴洋克里普地體中的生熱元素的確為月幔部分熔融區(qū)域提供了熱源，但是巖漿在由月?？焖偕仙猎卤淼倪^程中可能并沒有來得及與風(fēng)暴洋克里普地體中的克里普成分充分混合，從而導(dǎo)致嫦娥五號(hào)玄武巖樣品中并未測(cè)量到較多的克里普物質(zhì)。此外，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)的月殼厚度比平均月殼厚度小25%左右，且早期鄰近的雨海盆地撞擊事件可能在月殼中形成了大規(guī)模的裂隙構(gòu)造，這些因素都有利于月幔中的巖漿噴發(fā)至月表。月球晚期火山活動(dòng)的維持機(jī)制一直是月球科學(xué)研究中的熱點(diǎn)問題，而對(duì)于嫦娥五號(hào)玄武巖樣品的進(jìn)一步挖掘研究（如對(duì)粘滯度和熱導(dǎo)率等參數(shù)的測(cè)量），有望為現(xiàn)有的月球熱化學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型提供新的約束，從而為解釋月球火山活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間與噴發(fā)規(guī)模提供有力證據(jù)。
圖3.（a）嫦娥五號(hào)著陸區(qū)各下伏玄武巖單元的厚度。（b）Em4與Em3單元厚度之和的空間分布，其中紅色曲線為Rima與Mairan月溪。（c）嫦娥五號(hào)著陸區(qū)以及月表其它地區(qū)玄武巖巖漿的噴發(fā)率。
上述研究成果發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Planets上，論文的第一作者是都駿博士后，通訊作者是劉洋研究員。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（11941001、12173004、41941002、11903090）、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)B專項(xiàng)（XDB41000000）、民用航空航天技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目（D020201、D020203）、澳門特別行政區(qū)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金（0049/2020/A1）、空間中心“攀登計(jì)劃”（E1PD40011S）和山東大學(xué)（威海）青年學(xué)者項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JE007314
論文題目：Du, J., Fa, W., Gong, S., Liu, Y.*, Qiao, L., Tai, Y., Zhang, F., Zou, Y. (2022). Thicknesses of mare basalts in the Chang’E-5 landing region: Implications for the late-stage volcanism on the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 127, e2022JE007314.
