月球地質(zhì)年代表將月球的地層按形成的時間順序劃分為不同的時代, 能夠清晰地表達月球的整體演化歷史，是開展月球地質(zhì)研究、進行月球地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)。一個完善的月球地質(zhì)年代表應(yīng)當既包含月球的重要演化事件又能夠刻畫月球的各個演化階段，是對月球地質(zhì)演化歷史的完整、系統(tǒng)的反映。當前的月球地質(zhì)年代表形成于阿波羅時期，受限于探測數(shù)據(jù)的分辨率和覆蓋率等因素，對月球全球性演化尤其是月球背面的認識還不夠全面。自20世紀90年代以來，月球探測和月球科學經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，更先進的樣品測試分析技術(shù)以及海量高質(zhì)量探月數(shù)據(jù)的獲取和分析，極大地加深了人們對月球演化的理解。阿波羅時期形成的月球地質(zhì)年代表已不能很好地反映當前對月球演化歷史的認識。
中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室劉洋研究員團隊的郭弟均博士，聯(lián)合中國科學院地球化學研究所劉建忠研究員、美國布朗大學James W Head教授以及其它研究所和高校研究人員，基于對月球地質(zhì)演化事件的系統(tǒng)梳理，對此前的月球地質(zhì)年代表進行了更新，提出了“三宙六紀”的月球地質(zhì)年代劃分方案。本研究通過系統(tǒng)總結(jié)月球地質(zhì)演化的研究成果，從主導(dǎo)月球演化的內(nèi)動力和外動力地質(zhì)作用在不同時期對月球的改造效應(yīng)，提出了三階段月球動力學演化模型，并建立了三個相應(yīng)的“宙/宇”級別的年代及地層單元（圖1、表1）：冥月宙（Eolunarian Eon，4.52–4.31 Ga），表示內(nèi)動力地質(zhì)作用為主的巖漿洋演化時期；古月宙（Paleolunarian Eon，4.31–3.16 Ga），表示內(nèi)、外動力地質(zhì)作用并重的時期，主要地質(zhì)事件是代表內(nèi)動力地質(zhì)作用的火山作用和代表外動力地質(zhì)作用的大型撞擊事件；新月宙（Neolunarian Eon，3.16 Ga–至今），表示外動力地質(zhì)作用為主的時期，此時巖漿活動減弱，小型撞擊事件對月表的改造占主導(dǎo)。
圖1. 月球主要演化事件與內(nèi)動力及外動力地質(zhì)作用演化的三個階段。內(nèi)動力地質(zhì)作用的強度(由模擬的熔融物產(chǎn)率和月海玄武巖體積代表)和外動力地質(zhì)作用的強度(由撞擊動能代表)用陰影曲線表示。點數(shù)據(jù)展示了代表不同地質(zhì)過程的月球樣品的年齡。
在月球的主要演化事件中，月球背面的南極-艾肯（South pole-Aitken，SPA）盆地是月表記錄的最古老的大型撞擊事件，是冥月宙與古月宙的分界線，代表了月球由內(nèi)動力地質(zhì)作用為主到內(nèi)、外動力地質(zhì)作用并重的演化轉(zhuǎn)折點。然而，這一演化事件在此前的月球地質(zhì)年代表中并沒有體現(xiàn)，巖漿洋過程以及SPA盆地和隨后的數(shù)十個大型盆地撞擊事件都屬于前酒海紀。因此，為了更清晰地反映月球的演化歷史，新的地質(zhì)年代劃分中以SPA盆地的形成為界線將前酒海紀劃分為兩個單元，早期的巖漿洋紀（Magma-oceanian Period）和相對晚期的艾肯紀（Aitkenian Period）（表1）。其中，巖漿洋紀屬于冥月宙，艾肯紀代表古月宙的開始。在月球地質(zhì)研究中，通常以大型盆地濺射物作為巖石-地層單元。研究團隊識別出了SPA盆地的濺射物地層，命名為“達斯建造（Das Formation）”（圖2），是被記錄下來的月球最古老的外動力作用地層單元，作為艾肯紀的地層下界（圖3）。由此，最終確立了“三宙六紀”的月球地質(zhì)年代劃分方案，并更新了月球的地層層序柱（圖3）。
圖2. SPA盆地東北區(qū)域地質(zhì)圖以及達斯建造地層剖面。(a) SPA盆地東北區(qū)域主要地質(zhì)要素示意圖。圖中顯示了直徑大于50km的撞擊坑和兩個相對較小的特殊撞擊坑, 達斯（Das）坑（直徑36km）和埃勒曼（Ellerman）坑（直徑46km）。陰影區(qū)表示距主坑中心1~2半徑的區(qū)域, 主要為盆地連續(xù)濺射物沉積區(qū)。紅色實線代表SPA盆地的內(nèi)環(huán)和外環(huán)。黑色方框表示識別達斯建造的區(qū)域。黑色虛線P1-P2-P3表示(b)中地質(zhì)剖面圖的跡線。
圖3. “三宙六紀”月球地質(zhì)年代表對應(yīng)的地層層序柱
新提出的“三宙六紀”月球地質(zhì)年代劃分方案能夠更清晰地表達月球內(nèi)、外動力地質(zhì)作用的發(fā)生、發(fā)展和演變過程，為刻畫月球的演化歷史提供了一個量身定做的“標尺”。該方案已在世界首幅1:250萬全月地質(zhì)圖中進行了應(yīng)用，該方案對其他類地行星的地質(zhì)演化研究也具有重要的參考意義。
該研究成果于近期在學術(shù)期刊Science China Earth Sciences中、英文版同時發(fā)表。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院等的資助。
相關(guān)論文發(fā)表如下：
1.Guo D, Liu J, Head J W, Zhang F, Ling Z, Chen S, Chen J, Ding X, Ji J, Ouyang Z. 2023. A lunar time scale from the perspective of the Moon’s dynamic evolu-tion. Science China Earth Sciences, 66, https://doi.org/10.1007/s11430-022-1183-4
2.郭弟均, 劉建忠, Head J W, 張福勤, 凌宗成, 陳圣波, 陳建平, 丁孝忠, 籍進柱, 歐陽自遠. 2023. 基于月球動力學演化的地質(zhì)年代劃分. 中國科學: 地球科學, 53, doi: 10.1360/N072022-0258.
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