大地测量与导航团队在月球熔岩管探测研究中取得新进展

稿件来源：中山大学测绘科学与技术学院 发布人：许璐洁 编辑：许璐洁 发布日期：2023-10-12

研究背景:

       月球作为地球最接近的天体，一直以来都是人类太空探索的焦点之一。近年来，随着太空技术的不断进步，月球探测任务取得了许多重要成果，其中包括对月球地质特征的更深入了解。在这些地质特征中，月球熔岩管是一个备受关注的研究对象。月球熔岩管是一种天然的地下通道结构，通常形成于数十亿年前的月球火山活动中。这些熔岩管被认为是月球火山时期由火山喷发和岩浆流动所形成的中空地下管道，可提供大面积、温度稳定的空间，远离宇宙辐射和微小陨石撞击，使其成为未来月球探测和基地建设的潜在有利位置。当前的月球探测任务主要集中在月表勘探，对熔岩管的研究相对较少。对月球熔岩管开展深入研究工作，有助于了解月球熔岩管的分布、结构和形成机制，对未来月球任务规划和月球基地选址提供有力支持。

 

论文介绍：

       本研究基于GRAIL月球重力卫星数据解算的GRGM1200A月球重力场模型，以Marius Hills地区为例，探测位于月球玄武岩下的熔岩管异常信号。与以往的重力方法相比，本研究采用重力梯度法，不仅能够检测东西走向的熔岩管异常信号，也同样对南北走向的异常信号具有敏感性。通过该方法，在已知的月溪和天窗附近 (57.5°W，14.3°N)探测到一个潜在熔岩管（长约60 km，宽9 km，高55 m），深埋在月球表面下约550 m处，足以作为地下城市建设的理想选择

       本文对月球Marius Hills地区的重力梯度分量进行了计算。该地区位于纬度范围13°N - 15.5°N，经度范围56°W - 58°W（见图1）。研究发现，在经度约为57.5°W，纬度约为14.5°N的中心区域存在质量亏损现象，推测该区域可能存在地下熔岩管。这一熔岩管的长度约为60公里，呈南北走向，在布格重力梯度图中表现十分明显。同时，在自由空气重力梯度Tyy和Thh分量中也出现了对应的异常特征。

图1 Marius Hills区域的自由重力梯度和布格重力梯度图

       通过进行正演模拟实验，本研究进一步获得了布格重力梯度图（图2）。当正演模型在空间上长约60公里，宽约9公里，中心高程为55米，埋深达地下550米时，正演结果与实际观测较为吻合。从图2中可以清晰地观察到，原先与熔岩管相关的异常信号在很大程度上被有效地抵消掉。综合来看，正演模拟的结果证实了熔岩管存在的可能性。

图2 Marius Hills区域的熔岩管正演结果

       为进一步确证月球熔岩管的存在，本研究深入调查了Marius Hills区域的月表熔岩管地质特征，并在其周边发现了火山活动的有力证据，如图3所示。首先，在熔岩管东部地区存在两条蜿蜒的月溪（Rills - A和Rills - B），这两条月溪源自当地马里乌斯山的火山中心，并向西延伸至年轻的月海玄武岩。其次，存在一个位于Rills - A区域的“天窗”（MHH），这一坑洞很可能是熔岩管顶部遭受穿透性撞击所造成的。值得注意的是，这个天窗位于熔岩管以东不到15公里的地方，很可能是本研究新发现的熔岩管开口。由图3可知，月溪Rills - A连接了天窗和新发现的熔岩管。第三，熔岩管西侧Marius-B坍塌链和东侧Marius-A坍塌链的存在，为该地区已探测到的熔岩管提供了更有力的证据。我们推测这两条坍塌链的形成可能与熔岩管发生坍塌有关。综合分析以上地质特征，本项研究结果进一步佐证了Marius Hills地区存在熔岩管的假设。

图3 Marius Hills LROC WAC影像

       本项研究结果为研究月球地下结构提供了新的方法和可能性，有助于更好地了解月球演化历史，为未来的月球基地选址和建设提供参考。相关研究成果近期发表于《Icarus》（中科院二区， IF=3.2），题目为“GRAIL Gravity Gradients Evidence for a Potential Lava Tube at Marius Hills on the Moon”。中山大学测绘科学与技术学院大地测量与导航团队硕士研究生朱柯为论文第一作者，杨萌助理教授为文章通讯作者，钟敏教授、冯伟教授、燕兴元助理教授为文章的合作作者。该研究得到了国家自然科学基金（42104083）、中国科学院战略重点研究项目(XDB 41000000)、广东省自然科学基金（2021A1515011425）等项目的支持。

       原文信息：https://authors.elsevier.com/sd/article/S0019-1035(23)00393-7

       引用格式：Zhu, K., Yang, M., Yan, X., Li, W., Feng, W., & Zhong, M. (2024). GRAIL gravity gradients evidence for a potential lava tube at Marius Hills on the moon. Icarus, 408, 115814. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2023.115814

 

第一作者：First Author

朱柯，中山大学测绘科学与技术学院2021届硕士研究生，主要研究方向为月球熔岩管探测。

通讯作者：Corresponding Author

杨萌，助理教授，硕士生导师。2020年1月获得慕尼黑工业大学天文与物理大地测量学博士学位。主要研究方向为重力场建模理论与方法、多源数据融合理论和方法、行星重力场及反演、海洋重力场研究及应用等。

 

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一读：罗雨欣
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审核发布：漆小萍