中國科學家解譯月背的地下結構

□ 吳月輝

嫦娥四號著陸區地下分層結構

2019 年1 月3 日，嫦娥四號探測器在月球背面的南極—艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑底部成功著陸。之后，“玉兔二號”月球車便利用全景相機、紅外線光譜儀、測月雷達等先進儀器，對月球背面展開科學探索研究。

2020 年2 月27 日，中國科學院國家天文臺發布消息稱，國家天文臺李春來、蘇彥研究員領導的科研團隊，利用“玉兔二號”月球車上的測月雷達，首次揭示出月球背面著陸區域地下40 米深度內的地下分層結構，發現地下物質由低損耗的月壤物質和大小不同的大量石塊組成。這是人類首次揭開月球背面地下結構的神秘面紗，該重要成果于北京時間27 日凌晨，在線發表在國際科學期刊《科學·進展》上。

馮·卡門撞擊坑的中心位置為月球南緯44.45 度、東經176.3度，直徑約186 千米，坑內地形相對平坦，坑底被玄武巖填充。玄武巖表面相當一部分區域被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，并廣泛分布著二次撞擊坑。

“玉兔二號”月球車于著陸后次日早上就已開始工作。此次由國家天文臺帶領中外學者取得的研究成果，是基于它前兩個月晝期間500 兆赫茲的高頻通道雷達所探測到的數據。

蘇彥介紹：“‘玉兔二號’月球車的測月雷達好比是一臺給月球做CT 的儀器，通過高頻通道探測獲得的數據，我們得到了月球背面地下淺層的第一張雷達圖像、月表下物質的特性參數以及濺射物內部的地層序列。”

研究團隊通過計算分析月球淺層物質的特性參數，包括電磁波在月表下物質中的傳播速度、介電常數、密度、損耗參數和鈦鐵含量等，并根據獲得的物性參數和雷達圖像，沿著月球車行走的106 米路徑上，在深度40 米范圍內，識別出3 個不同地層單元：

第一單元為從月球表面到地下12米的細粒月壤，內嵌有少量石塊，此月壤層形成于多個撞擊坑互疊的濺射物之上，這些濺射物可能來自周邊的芬森和馮·卡門撞擊坑等。

第二單元從地下12米到24米，這是雷達圖像上回波強度最大的區域，表明內部存在大量的石塊，甚至形成有碎石層和碎石堆，說明濺射物的沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也會伴隨著物質之間的剪切、混合、挖掘以及二次撞擊坑結構擾動等復雜的地質過程。

第三單元從地下24 米到40米，雷達回波明暗交替變化，是不同時期、更古老的濺射物的沉積和風化產物。

“月球背面地下結構被首次揭曉，對于了解撞擊過程對月表的改造、火山活動規模與歷史等具有非常重要的意義，也將極大提高人們對月球撞擊和火山活動歷史的理解，并為月球背面的地質演化研究帶來新的啟示。”李春來說。

馮·卡門撞擊坑所在的南極—艾特肯盆地是太陽系中最古老的撞擊坑之一，保留了原始月球的巖石，具有非常高的科研價值。自“玉兔二號”月球車登陸月球背面開展科學探測以來，除上述重要發現外，中國科學家還利用它探測到月幔物質出露的初步證據。

有關月球早期演化的理論認為，月殼是由巖漿洋中較輕的斜長石組分上浮結晶形成，而如橄欖石、輝石等較重的礦物則下沉形成月幔。然而，從阿波羅任務返回的月球樣品中沒有發現與月幔物質組成有關的直接證據，關于月幔物質組成的推論至今沒有被很好地證實。

2019 年5 月，這一推論終于被中國科學家證實。

當日凌晨，國際學術期刊《自然》在線發布了一項重要成果：中國科學院國家天文臺李春來研究組與合作者利用“玉兔二號”月球車上搭載的可見—近紅外成像光譜儀的光譜初始觀測結果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源于月球地幔。這也是人類首份月球背面幔源物質的初步證據。

“嫦娥四號著陸的南極—艾特肯盆地是月球已知最深的盆地，形成于40 億年以前，那時候月殼應該是很薄的。一個大的撞擊就有可能把外殼打穿，把月球深部的東西露出來。”李春來說。但是，從現有月球軌道器獲得的遙感數據表明，雖然南極—艾特肯盆地區域的鐵鎂質礦物含量偏高，但并沒有橄欖石廣泛出露的證據。這些物質是否可能來源于月幔還存在爭議。

“玉兔二號”月球車著陸月球背面的第一天，其搭載的可見—近紅外成像光譜儀即成功獲取了著陸點附近兩個探測點的高質量光譜數據。研究團隊分析發現，嫦娥四號著陸區月壤光譜的吸收特征展現出低鈣輝石的光譜特征，并暗示有大量橄欖石的存在。

“進一步的地質背景分析表明，這些物質是由附近直徑72 公里的芬森撞擊坑挖掘出來，并拋射到了嫦娥四號著陸地點的月幔物質。”李春來說。

科研人員表示，這一研究工作成功揭示了月球背面的物質組成，證實了月幔富含橄欖石的推論的正確性，人類對月球內部形成與演化的認識又向前邁進了一步。

截至目前，嫦娥四號探測器在月球背面的工作時長已超過400天，遠超其設計壽命；“玉兔二號”月球車克服各項障礙，累計月面行駛370 多米。

“玉兔二號”月球車狀況如何，接下來科研人員還將開展哪些研究？

“‘玉兔二號’月球車的設備狀態目前依舊很好，我們已經開始進行第十五個月晝的數據接收工作了。”蘇彥說，“雷達有高頻和低頻兩個通道，其中高頻通道數據是用來研究地下淺層結構的。我們這次發表的成果就是基于淺層的探測數據。那么，隨著探測數據積累增多，我們將能判斷和識別出著陸區一個更大范圍的地下結構。”

科研人員在收集分析“玉兔二號”月球車測月雷達高頻通道探測數據的同時，也在不斷接收和處理其低頻通道探測數據。只是，相對高頻通道數據而言，處理分析雷達低頻通道數據比較困難。

對此，蘇彥進一步解釋：“低頻雷達能夠探測到地下幾百米深的地層結構，但由于車體干擾和收發天線耦合等問題，干擾信號很強，對地下分層有效信號識別起來會更加困難。隨著‘玉兔二號’月球車行走的距離增加，我們積累的低頻雷達數據也會越來越多，下一步主要工作之一就是更精準地去解譯這些數據，從而揭示月背地下更深層的地質結構。”

國家天文臺劉建軍研究員說：“后續我們將進一步開展著陸區光譜和雷達探測，深入研究該區域的物質成分和月表地下結構；積累月球背面低頻射電、月表中子及輻射劑量和月表中性原子等探測數據，持續開展月球科學研究。”