解读月球的地下结构

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月球背面三个地层单位结构示意图。照片由国家天文台提供

根据玉兔二号月球车高频通道雷达探测到的数据，由国家天文台研究员李春来和苏烟领导的研究小组首次揭示了月球背面着陆区40米范围内的地下层状结构。这将大大提高人们对月球撞击和火山活动历史的认识，并给月球背面的地质演化研究带来新的启示。接下来，随着勘探数据的增加，研究人员将更准确地解释它，从而揭示月球背后更深的地质结构。

2019年1月3日，嫦娥四号成功降落在月球背面南极艾特肯盆地的冯卡门陨石坑底部。此后，玉兔二号月球车利用全景照相机、红外光谱仪和月球雷达等先进仪器在月球背面进行科学探索和研究。

2020年2月27日，中国科学院国家天文台宣布，由国家天文台研究员李春来、苏烟带领的研究团队，首次利用玉兔二号月球车上的月球雷达揭示了月球背面着陆区40米以内的地下层状结构，发现地下物质由低流失的月球土壤物质和大量不同大小的石头组成。这是人类首次揭开月球背面地下结构的神秘面纱。这一重要成果发表在北京时间27日清晨的国际科学杂志《科学进步》上。

根据高频通道雷达探测数据，识别出月球背面的三个不同地层单元

冯卡门陨石坑的中心位于南纬44.45度，东经176.3度，直径约186公里。火山口内部的地形相对平坦，火山口底部充满了玄武岩。相当大面积的玄武岩表面被周围大型撞击坑的溅射物覆盖，次级撞击坑分布广泛。

玉兔2号月球车着陆后第二天早上开始工作。国家天文台领导的中外学者的研究成果是基于前两个月500兆赫高频通道雷达探测到的数据。

苏烟介绍说:“玉兔二号月球车的月球雷达就像是一个月球CT仪器。通过高频通道探测获得的数据，我们得到了月球背面浅层的第一张雷达图像。月球表面下物质的特征参数和溅射物体内部的地层序列。

该研究团队计算并分析了月球浅层物质的特征参数，包括电磁波在月面以下物质中的传播速度、介电常数、密度、损耗参数和钛铁含量，并根据获得的物理参数和雷达图像，沿着月球车进行计算。在106米的路径上，在40米的深度内，确定了三个不同的地层单位:

第一个单元是从月球表面到地面12米处的细粒月球土壤，里面嵌有少量的石头。这个月球土壤层是在被多个撞击坑重叠的溅射物体上形成的，这些撞击坑可能来自周围的芬森和冯·卡门撞击坑。

第二个单元在地下12米至24米，这是雷达图像中回波强度最高的区域，表明里面有大量的石头，甚至形成砾石层和砾石堆，表明溅射物质的沉积不仅是地毯式的扩散，而且还伴随着剪切、混合、挖掘和二次撞击坑的结构扰动等复杂的地质过程。

在第三个单元中，从地下24米到40米，雷达回波的明暗交替变化，这是不同时期较老的溅射物沉积和风化的产物。

月球背面的地下结构首次被揭示，这对于了解月球表面的变化、撞击过程中火山活动的规模和历史具有重要意义，将极大地提高人们对月球撞击和火山活动历史的认识，并给月球背面的地质演化研究带来新的启示李春来说。

揭示月球背面的物质组成证实了月球地幔富含橄榄石这一推断的正确性

冯卡门陨石坑所在的南极艾特肯盆地是太阳系中最古老的陨石坑之一，它保存了原始月球的岩石，具有很高的科学研究价值。自从玉兔二号月球车在月球背面着陆进行科学探索以来，除了上述重要发现之外，中国科学家还利用它来探测月球地幔物质暴露的初步证据。

根据月球早期演化理论，月球地壳是由岩浆海洋中较轻的斜长石成分浮晶形成的，而较重的矿物如橄榄石和辉石下沉形成月球地幔。然而，在阿波罗任务返回的月球样品中没有发现与月球地幔物质组成有关的直接证据，迄今为止，关于月球地幔物质组成的推断尚未得到很好的证实。

2019年5月，这一推论最终被中国科学家证实。

当天清晨，国际学术期刊《自然》在网上发表了一项重要成果:中科院国家天文台研究组和何利用玉兔二号月球车上可见-近红外成像光谱仪的初步光谱观测结果，推断月球表面低钙辉石和橄榄石矿物可能来自月球地幔。这也是月球背面地幔物质的第一个初步证据。

“嫦娥四号着陆的南极艾特肯盆地是月球已知的最深的盆地，它形成于40亿年前。那时，月球外壳应该很薄。一次巨大的撞击可能会穿透外壳，暴露月球深处的一些东西。”李春来说。然而，从现有月球轨道器获得的遥感数据表明，尽管南极艾特肯盆地的铁磁体矿物含量很高，但没有证据表明橄榄石被广泛暴露。这些物质是否源于月球地幔仍有争议。

玉兔二号月球车在月球背面着陆的第一天，其可见-近红外成像光谱仪成功获取了着陆点附近两个探测点的高质量光谱数据。根据研究小组的分析，嫦娥四号着陆区月壤的光谱吸收特征表现为低钙辉石的光谱特征，这意味着大量橄榄石的存在。

“进一步的地质背景分析表明，这些物质是从附近直径72公里的芬森陨石坑中挖掘出来的，并投射到嫦娥四号着陆点的月球地幔物质上。”李春来说。

研究人员表示，这项研究成功地揭示了月球背面的物质组成，证实了月球地幔富含橄榄石这一推断的正确性，并在理解月球内部的形成和演化方面向前迈出了一步。

进入一天中的第十五个月，工作将揭示月球地下更深的结构

到目前为止，月球背面4号探测器的工作时间已超过400天，远远超过其设计寿命；玉兔2号月球车克服了各种障碍，在月球表面积累了370多米。

玉兔2号月球车的状况如何，下一步将进行什么研究？

“玉兔2号月球车目前的设备状况仍然很好，我们已经在第15个月开始数据接收工作。”苏烟说:“雷达有两个通道:高频通道和低频通道，高频通道的数据用于研究浅层地下结构。我们公布的结果基于浅层探测数据。然后，随着探测数据积累的增加，我们将能够判断和识别着陆区内一个更大的地下结构。”

在收集和分析玉兔二号月球车月面雷达高频通道探测数据的同时，研究人员不断接收和处理低频通道探测数据。然而，与高频通道数据相比，雷达低频通道数据的处理和分析比较困难。

对此，苏烟进一步解释道:“低频雷达可以探测地下几百米深处的地层结构，但由于车体干扰和天线耦合等问题，干扰信号非常强，使得识别地下分层的有效信号更加困难。随着玉兔二号月球车行走距离的增加，我们将积累越来越多的低频雷达数据。下一步的主要任务之一是更准确地解释这些数据，从而揭示月球背后更深的地质结构。”

国家天文台研究员刘建军说:“在后续工作中，我们将在着陆区进一步开展光谱和雷达探测，深入研究该地区月球表面的物质组成和地下结构；积累月球背面的低频无线电、月球上的中子和辐射剂量以及月球上的中性原子等探测数据，并继续开展月球科学研究。”

“玉兔2号月球车仍在溅射材料分布的地方行驶。我们希望它能保持良好的状态，并进入玄武岩覆盖区。”苏烟说。(照片由吴提供)

《人民日报》(2020年2月28日，第12版)

编辑:张洋