月球阿波罗盆地区域月壳结构及光谱特征

郭弟均，刘建忠，HEAD W. James，李帅，POTTER W. K. Ross ，林红磊

（1. 中国科学院地球化学研究所 月球与行星科学研究中心，贵阳 550002；2. 中国科学院大学，北京 100014；3. Department of Earth，Environmental and Planetary Sciences，Brown University，Providence 02912；4. University of Hawaii at Manoa，Honolulu，HI 96822；5. 中国科学院 遥感与数字地球研究所，北京 100101）

引 言

直径492 km的阿波罗盆地位于平均直径约2 240 km的月球南极-艾肯（South Pole-Aitken Basin，SPA）盆地的内环边界上[1-2]。古老的SPA盆地对于认识月球构造格架的划分和地质演化历史具有重要意义[3-5]。在南极-艾肯盆地内部的撞击构造中，阿波罗盆地是其中最大的一个，挖掘深度也最深，形成了南极-艾肯盆地之内的最薄月壳厚度。阿波罗盆地属于前酒海纪，根据不同的研究结果，其绝对年龄可能在3.9～3.92 Ga或4.1～4.2 Ga之间[6-8]。作为峰环盆地，阿波罗盆地的中央峰环直径为247 km，高出盆地底部1～2 km[9]。

撞击模拟表明SPA盆地瞬时穴直径为840 km[10]，因此，阿波罗盆地跨越SPA盆地瞬时穴和改造区（如图1所示），这个特殊的位置可能造成阿波罗盆地内部的成分差异和不同的物质来源[11]，同时也造成了其极不对称的月壳结构。另一方面，其他研究表明，SPA盆地拥有更大的瞬时穴直径，如1 260 km[12]，这将使阿波罗盆地完全位于SPA瞬时穴内部。在这种情形下，在阿波罗撞击事件发生前盆地所在区域的物质就代表被SPA挖掘的来自下月壳甚至月幔的月球内部成分。

阿波罗盆地靠近SPA盆缘部分的月壳厚度约为40 km，靠近SPA中心部分的月壳厚度约为20 km（图1）。对于大型撞击作用，薄月壳情形和厚月壳情形下的物质流动过程具有差异[13]，将导致不同的物质堆积结果。数值模拟结果表明阿波罗盆地撞击事件挖掘出了大于30 km的深月球内部物质[11]。在峰环盆地中，峰环结构的物质起源可能接近最大挖掘深度[1]。对于阿波罗盆地，如果月壳厚度为20 km，则峰环的主要组成物质将是月幔成分，如果月壳厚度为40 km，则其峰环成分主要组成物质是下月壳物质[11]。

图1 阿波罗盆地区域高程和月壳厚度Fig.1 The elevation and crustal thickness of Apollo basin region

大量模型和计算都表明，阿波罗盆地挖掘深度到达月幔，其中央峰环在很大程度上代表了月幔的物质成分。然而，阿波罗盆地峰环物质为苏长质而不是预想的富橄榄石岩性[1]。这是否说明月幔上层矿物主要为辉石而不是橄榄石？另一方面，大量研究都支持在月壳内部存在一个厚度数十千米纯斜长岩（≥ 98%斜长石）层[16-18]。早期研究中，纯斜长岩在几乎所有的峰环结构包括同样位于SPA盆地内部盆缘附近的薛定谔盆地上都有被发现[1]，而在阿波罗盆地峰环上却没有探测到。因此有必要对阿波罗盆地的月壳结构和成分出露进行更详细的研究，结合更广阔的地质背景和区域演化历史，为解开围绕月壳/幔结构和成分、SPA盆地和SPA盆地-酒海纪地层序列的问题提供一些线索，也为未来月球着陆探测和样品采集选址提供参考。本文以阿波罗盆地为研究对象，以区域月球结构和盆地各地质单元表面物质在1 μm、2 μm的光谱吸收特征为主要研究内容，揭示了盆地不对称的月球结构和矿物成分的分布特征。

1 阿波罗盆地区域月壳结构

受SPA盆地巨大内外地形差异的影响，位于SPA内环上的阿波罗盆地具有显著的二分特征：沿着SPA盆地向外靠近盆地环的北东方向地形高，而向SPA盆地内部的南西方向地形低，如图1（b）、图2（a）、图2（b）所示。由于长时间的后期地质过程中原始盆地物质垮塌，阿波罗盆地盆缘和峰环处的地形并不全在局部地形最高位置上，如图2（a）、图2（b）所示。阿波罗盆地外，北东方向的平均地形高程约为3.5 km，而南西方向的平均地形高程约为-4.5 km，高程差达8 km左右。在盆地内部，整体平均高程约为-4.6 km，最低处仅有约-6.3 km。峰环的高程平均高出盆底2～3 km，月壳厚度在这个位置上有增加的趋势，但在位置上有向外的偏移，且范围更宽，如图2（a）、图2（b）所示。

Wieczorek等根据GRIL重力场数据计算得出了4个月壳厚度模型[14]，其中模型1和模型2的平均月壳厚度比模型3和模型4的更薄。阿波罗盆地的月壳厚度也具有与地形趋势一致的强烈的二分性，如图1（b）、图2（a）和图2（b）所示。根据不同的月壳厚度模型，在盆地外，北东方向平均月壳厚度在50.4～61.9 km之间，而南西方向为17.4～25.5 km之间，这也代表了SPA盆地内部的平均月壳厚度。在阿波罗盆地内部，平均月壳厚度在19.8～28.1 km之间，而最薄的厚度根据不同的模型仅为2.0 ～6.4 km之间。在阿波罗盆地峰环内部，由于撞击后莫霍面上移，平均月壳厚度仅为7.4～12.9 km之间。如果考虑最薄的月壳厚度模型，直径大于20 km的撞击坑就有可能穿透部分月壳到达月幔，并可能抛射出月幔物质。

图2 北东-南西（NE-SW）和北西-南东（NW-SE）方向的月表高程、月壳厚度和莫霍面位置剖面Fig.2 The profiles of surface elevation，crustal thickness and moho depth of NE-SW and NW-SE direction

在撞击作用过程中，撞击点的内部成分和结构会向上抬升[19]。阿波罗盆地形成于月壳厚度本来就偏薄的位置，而形成这个规模的盆地必然伴随巨大的撞击能量，从而引起显著的莫霍面抬升。如图2（c）、图2（d）所示，莫霍面抬升主要发生在峰环内部。根据不同的月壳厚度模型，相较于盆地中心的莫霍面在北西、南东方向分别高出约26～33 km和20～25 km，在北东、南西方向分别高出约32～40 km和约18～23 km。莫霍面抬升为后期撞击挖掘出月幔物质提供了更大的可能性。

2 阿波罗盆地区域光谱特征

2.1 光谱数据处理

我们使用M3数据的OP2C观测周期的数据拼接了空间分辨率280 m覆盖阿波罗盆地研究区域的M3高光谱数据并进行了热辐射校正[20]。对于月球，在光谱上表现强烈的吸收特征主要是Fe2+引起的在1 μm附近（Band I）和2 μm附近（Band II，主要贡献矿物为辉石）吸收。其中出现1 μm吸收的主要矿物为斜长石约1.25 μm，辉石约1 μm，橄榄石约1.15 μm，出现2 μm吸收的主要矿物为辉石[21]。而辉石中单斜辉石（CPX）的1 μm、2 μm吸收中心波长通常比斜方辉石（OPX）长（如Klima等[22]和Klima等[23]）。M3数据在靠近阴影区和极地信噪比较低。为了能够计算尽量宽范围的光谱特征，在提取光谱吸收参数之前，我们对每一个像元光谱以3 × 3窗口进行平均，并按照窗口为3个波段进行维纳滤波。

在进行连续统去除的过程中，我们参考了PLC（Parabolic absorption band fitting after removing a twopart Linear Continuum）对Band I和Band II进行了分别去除[24]，不同之处是使Band I的右节点和Band II的左节点相互独立以使它们分别得到最好的连续统。对于Band I，左节点固定在0.7 μm波段，右节点选择在1.1～1.78 μm之间某一波段与左节点斜率最大之处；对于Band II，右节点固定在2.50 μm波段，左节点选择在1.1～2.02 μm之间某一波段与右节点斜率最小之处。基于连续统去除之后的光谱，我们按照PLC的方式进行最佳抛物线拟合并提取吸收中心（EBC）和吸收深度（EBD）[24]。

2.2 光谱在1 μm和2 μm波段的主要吸收特征

受光照条件的影响，研究区域内位于光照阴影区的撞击坑右侧坑壁上有强烈的噪声，如Borman坑和Dryden坑，这些位置上的光谱吸收参数在考虑时需要排除，参见图3（a）。受太空风化的影响，暴露在月表的物质将逐渐变得成熟，逐渐减弱直到失去矿物在光谱上的吸收特征。

阿波罗盆地中反射率最低的地质单元是盆地中的月海，参见图3（a）。根据LROC团队发布的月海边界，阿波罗盆地中共有5个月海出露。根据不同研究结果，阿波罗盆地内月海出露年龄最晚可能为2.44～2.49 Ga，最早可能到3.51～3.63 Ga[25-26]。在南西方向邻近SPA盆地中心的区域，反射率比邻近SPA盆地环的区域更低，该区域位于SPA盆地瞬时穴之内，同时在SPACA的覆盖范围内。

图3 阿波罗盆地区域的光谱特征Fig.3 The spectral characteristics of the Apollo basin region

图3（b）展示了光谱在Band I和Band II的吸收深度假彩色合成影像。橙色的月海区域光谱在1 μm和2 μm都有吸收，且在1 μm的吸收更加强烈。后期撞击坑如晚雨海纪Dryden坑，色调偏黄，表明光谱在1 μm和2 μm的吸收强度都比较强。在研究区域从北东到南西向，色调呈现从蓝到黄的趋势。在研究区域靠近SPA中心的南西方向，表现出更强的1 μm、2 μm吸收特征，辉石含量更高；而在远离盆地的北东方向，有更多原始月壳的斜长石混合，辉石的吸收特征更弱。阿波罗盆地的峰环结构经历太空风化时间长，整体上没有吸收特征，但是新鲜撞击坑附近明显的吸收特征表明其成分辉石含量高。

阿波罗盆地区域光谱在Band I和Band II的吸收中心分别如图3（c）和图3（d）所示。月海的物质来源可能是上百km的月幔，通过岩浆通道喷发出月表。M3数据表明阿波罗盆地月海的1 μm、2 μm吸收峰位置在CPX区间[22-23]。峰环结构上的成分可能代表了阿波罗盆地撞击事件挖掘出的最深物质。阿波罗盆地峰环结构上少量有吸收特征的物质表明，其吸收特征为短波长吸收的OPX，但主要矿物可能为斜长石。在阿波罗盆地内，尽管吸收峰在Mg辉石区间，但北东方向吸收波长偏向长波而南西方向的吸收波长偏向短波，可能的原因是北西方向混合了更多CPX，但其来源还无法判断。

3 结束语

阿波罗盆地外北东方向邻近SPA盆地外缘处月壳较厚，物质来源主要为原始月壳成分、SPA盆地及后期盆地溅射物堆积的风化层。在此区域内包括阿波罗盆地盆壁上，1 μm、2 μm吸收峰位置波长较长，主要成分可能为CPX。但在盆底和盆地西南方向，1 μm、2 μm吸收峰位置波长较短，主要成分可能为OPX。盆地峰环上仅有少数位置被检测出吸收特征，均为短波吸收的OPX，但可能混合了大量斜长石。相较于盆地内的其他地质单元，5个月海区都表现出强烈的CPX吸收特征。位于SPA盆地另一端的薛定谔盆地其峰环主要矿物也是OPX，但是月海成分是含有斜长石的CPX[27]。在阿波罗盆地外靠近SPA中心的区域，光谱特征主要为CPX，且具有较强的1 μm、2 μm吸收。对于SPA环形构造，尽管吸收特征少，但新鲜撞击坑挖掘的物质依然表现出强烈的CPX/OPX吸收光谱，其来源可能为SPA撞击或阿波罗盆地撞击抛射出的下月壳或月幔物质。对阿波罗盆地区域详细的光谱特征研究与Moriarty和Pieters 以及Melosh等的研究结果一致[15,28]。Melosh等认为在阿波罗盆地外的北部的OPX是SPA盆地撞击事件中从月幔挖掘的月球内部物质，因此推测月幔的主要成分是低钙辉石[28]，这与本文得到的同样可能来源于深部月幔的阿波罗盆地峰环物质主要为低钙辉石相一致。

本研究主要分析了阿波罗盆地区域的月壳结构，以及与空间和重要地质构造相关的整体光谱吸收特征。然而，区域内的物质来源比较复杂，巨大的高程剖面上可能既有原始月壳的成分又有不同演化阶段的物质，如SPA撞击堆积的溅射物和环形构造、阿波罗盆地溅射物和其他撞击事件溅射物堆积的风化层，以及可能晚止2.44 Ga早至3.63 Ga的月海物质。另一方面，作为古老的地质构造，不同来源的物质在这里进行了比较充分的混合。正因为如此，如果在阿波罗盆地采样可以采集到尽量多起源的物质，为完整梳理月球演化和不同深度物质成分提供宝贵资料。SPA盆地内另一个采样返回的热点区域是薛定谔盆地。相比而言，阿波罗盆地直径更大，挖掘深度更深，其纬度位于低纬地区，比接近南极的薛定谔盆地采样更容易实现。