火山作用是月球最重要的地質(zhì)活動之一，理解其過程和機制對理解月球的演化歷史至關(guān)重要。通常情況下，由于早期月球內(nèi)部熱膨脹導(dǎo)致上覆巖石圈受張力發(fā)生破裂，裂隙為巖漿上涌噴發(fā)提供了通道，從而形成月表火山及火山地貌。相反，褶皺山脈則是內(nèi)部冷卻體積收縮引起或來自外部橫向壓力導(dǎo)致的巖石圈擠壓變形，從而閉合巖漿通道，不易發(fā)生火山噴發(fā)。自阿波羅月球探測以來，火山噴發(fā)與褶皺山脈的成因一直是月球科學(xué)研究的熱點話題，至今依然存在許多爭議和未解之謎，其中，壓應(yīng)力環(huán)境下的火山噴發(fā)機制一直是科學(xué)界未曾解決的謎團。
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心行星環(huán)境與演化團隊領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組，通過分析月球軌道探測器的影像數(shù)據(jù)，在多個月球大型撞擊盆地內(nèi)部發(fā)現(xiàn)30余處火山口位于褶皺山脈上（圖1）。通過分析月球大型撞擊盆地形成及演化過程、火山噴發(fā)機理及運用比較行星學(xué)方法（與地球類比研究），研究團隊提出了月表冷卻收縮壓應(yīng)力環(huán)境下的火山噴發(fā)機制模型。該模型為月球火山噴發(fā)與褶皺山脈共生現(xiàn)象這一未解之謎提供了合理的機制和解釋。
圖1. 位于褶皺山脈上的火山口（白色箭頭）及熔巖沖蝕出的形似河道的熔巖溝渠。
理解構(gòu)造-火山相互作用機制對研究月球外動力（大型撞擊事件）和內(nèi)動力（巖漿作用）耦合作用下的月球（熱）演化歷史有重要意義。根據(jù)目前對月球的認知，月球表面來自月幔的火山噴出巖幾乎都分布于大型撞擊盆地及周緣凹地內(nèi)部，這歸因于大撞擊事件削薄了月殼，加上對月殼的沖擊破裂，因此形成了有利于巖漿上升并噴發(fā)的環(huán)境。大型撞擊盆地內(nèi)部填充的火山巖厚度可達幾公里，大致沿盆地中心向外逐漸變薄。盆地底部早期撞擊熔融物和上覆火山噴出巖與月殼之間形成了一巖性（包括礦物成分和密度）存在明顯差異的不連續(xù)界面，而目前月球科學(xué)界普遍認為，與褶皺山脈形成有關(guān)的斷層作用其影響范圍局限于此界面以上（即盆地底部月殼以上的盆地填充物內(nèi)），而巖漿儲庫和源區(qū)則位于月幔。因此，褶皺山脈上的火山噴發(fā)與月幔源區(qū)之間的關(guān)聯(lián)一直缺少合理的解釋。
撞擊坑或盆地內(nèi)部填充了火山巖后，在重力和巖石冷卻收縮作用下，之后的月幔巖漿很難再發(fā)生上涌和噴發(fā)。而我們發(fā)現(xiàn)的位于褶皺山脈上的火山口及噴出物（如圖2）則證明了在月殼冷卻收縮壓應(yīng)力環(huán)境下，褶皺山脈的形成伴隨著火山噴發(fā)。
圖2. 位于月球正面大型撞擊盆地-雨海南部的褶皺山脈上的火山口及噴出的熔巖堆積地貌。
基于目前對月球大型撞擊盆地構(gòu)造演化和火山噴發(fā)機制的認識，結(jié)合地球類比研究，本研究提出了構(gòu)造反轉(zhuǎn)模型，可對上面提到的現(xiàn)象及涉及的難題進行合理的解釋：（1）月球大型撞擊盆地往往是多環(huán)盆地，是盆地形成初期重力均衡調(diào)整的結(jié)果，在遠離中心的環(huán)和最外盆緣之間形成一系列規(guī)模不等的高角度月殼斷裂或斷層（呈現(xiàn)環(huán)繞盆地中心分布），早期張應(yīng)力環(huán)境下，沿斷裂面的兩側(cè)巖體發(fā)生相對運動，稱之為正斷層（圖3a和3b），某些正斷層可延伸到下月殼；（2）早期火山噴發(fā)物填充到盆地內(nèi)部（圖3b暗色部分），之后是后期火山噴發(fā)填充（圖3b淺灰色部分）；（3）隨著時間推進，區(qū)域張應(yīng)力環(huán)境轉(zhuǎn)為橫向擠壓應(yīng)力主導(dǎo)（圖3c），之前存在的正斷層被重新激活轉(zhuǎn)為逆向運動，斷層面兩側(cè)的巖體發(fā)生反向運動（類似逆斷層），導(dǎo)致月表形成褶皺山脈，這一過程已在地球上某些地質(zhì)環(huán)境下得到研究和驗證。同時，調(diào)整過程中，逆向斷層運動會導(dǎo)致上面巖層斷裂產(chǎn)生新的斷層或張裂隙，從而從月表到月殼內(nèi)部由斷層相連，通道被打通，進而為上月幔的巖漿上升和噴發(fā)提供了可利用通道。而低粘滯度的玄武巖漿填充到斷層內(nèi)部，起到了潤滑劑的作用，進一步促進巖體相對運動。
圖3. 本研究提出的月表壓應(yīng)力環(huán)境下火山噴發(fā)機制模型。（a）盆地縱向剖面及內(nèi)部構(gòu)造和填充物示意圖；（b）早期盆地區(qū)域張力環(huán)境；（c）后期轉(zhuǎn)為橫向擠壓應(yīng)力為主導(dǎo)，早期正斷層發(fā)生逆向反轉(zhuǎn)而逆向運動，導(dǎo)致月表形成褶皺山脈和產(chǎn)生斷裂或斷層等薄弱地帶，為巖漿上升和火山噴發(fā)提供了有利通道。
此類現(xiàn)象易發(fā)生于盆地底部存在正斷層的區(qū)域，即盆地環(huán)和邊緣地帶，我們識別出的30個案列幾乎都分布于遠離盆地中心的環(huán)和邊緣區(qū)域，觀測結(jié)果與模型預(yù)測相契合。該研究成果發(fā)表在Nature Communications上，研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院重點部署項目的資助。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38615-1
Feng Zhang, Alberto Pizzi, Ruj Trishit, Goro Komatsu, An Yin, Yanan Dang, Yang Liu, Yongliao Zou, 2023. Evidence for Structural Control of Mare Volcanism in Lunar Compressional Tectonic Settings. Nature Communications, 14:2892. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38615-1
