嫦娥四號迎第二十月晝 科學成果揭秘馮-卡門撞擊坑地下結構
2020年07月15日09:37

  原標題:嫦娥四號迎第二十月晝,科學成果揭秘馮·卡門撞擊坑地下結構

  “中國探月工程”微信公號7月15日消息,今天5時48分,華夏大地的黎明時分,在月球背面的嫦娥四號著陸器順利喚醒。此前,“玉兔二號”月球車已在7月14日12時53分喚醒。截至目前,嫦娥四號著陸器和“玉兔二號”月球車已度過559個地球日,兩器的順利喚醒標誌著“嫦娥”攜手“玉兔”進入第20月晝工作期,不斷創造著新的記錄。

  在本月晝工作期,著陸器搭載的月表中子及輻射劑量探測儀、低頻射電頻譜儀將按計劃開機工作。根據前期獲取的月面影像數據,“玉兔二號”月球車將繼續向西北方向玄武岩或反射率較高的撞擊坑區域行進,全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀、中性原子探測儀等科學載荷同步開展科學探測任務。相關科學成果將及時發佈。最新成果

  雷達數據揭秘馮•卡門撞擊坑地下結構

  澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室徐懿助理教授、賴嘉龍博士後與江西理工大學、廣州大學、中國地質大學、中國科學院空天信息創新研究院、桂林理工大學和倫敦大學學院等合作者們,通過分析嫦娥四號雷達數據,發現著陸區一帶多層地下結構,並結合仿真模型和相關地質分析,進一步證實馮•卡門撞擊坑內部發生過多期岩漿填充事件。

  “玉兔二號”在月球背面行駛期間,攜帶的兩種頻率測月雷達首次對月球背面地下淺表層結構進行科學探測。測月雷達第一通道中心頻率為60MHz,探測深度可達數百米,解像度為米級;二號通道中心頻率為500MHz,探測深度相對較淺為數十米,但解像度更高,可用於觀察著陸區月壤的精細結構。

圖1 (a)中心頻率為60MHz的雷達圖像;(b)經過圖像增強的結果(五層界面分別標記為ABCDE);(c)根據雷達圖像得到的地質解譯結果(包括0-35米由二通道雷達補充的數據)
圖1 (a)中心頻率為60MHz的雷達圖像;(b)經過圖像增強的結果(五層界面分別標記為ABCDE);(c)根據雷達圖像得到的地質解譯結果(包括0-35米由二通道雷達補充的數據)

  徐懿助理教授科研團隊通過處理與分析測月雷達二號通道數據,獲得了從月表到35米深的地下結構,計算了月壤介電常數隨深度的變化和雷達圖像的特徵,推測嫦娥四號著陸區的月壤層厚度約為11米,比嫦娥三號著陸區探測的月壤層更厚。可能的原因是,嫦娥四號著陸區的表面地質年齡更為古老,此外,當地有較多的濺射物,風化速度相對玄武岩更快。

  二號通道數據顯示著陸區淺表層結構可能為:0-11米為細顆粒風化層,11米-25米為粗粒濺射物層,深於26米的是破碎的玄武岩層。此外,計算出玉兔二號巡視區域下方的月壤平均損耗角正切約為0.0039,據此估算出該區域鐵鈦含量約為11.8% - 13%,與遙感光譜數據測量的結果較為吻合。而且嫦娥三號和四號著陸區鐵鈦含量的不同也能解釋探地雷達在兩地探測深度的差異。

  該項目組對前九個月晝的測月雷達一號通道數據進行分析,獲取了著陸區更深位置的地下分層結構,約50米到330米深度範圍(按平均介電常數為6.5計算,圖1)。項目組成員使用多種方法驗證雷達圖上多個連續反射界面是否來自地下信號,最後確定A-E五個層面位置。根據信號特徵推測A-D為不同批次玄武岩之間的風化層,界面E以下可能為大尺寸的濺射物層。通過雷達信號仿真驗證了這一模型的可能性(圖2)。

圖2(a)仿真模型,不用顏色為不同的介電常數;(b)仿真結果
圖2(a)仿真模型,不用顏色為不同的介電常數;(b)仿真結果

  在距離嫦娥四號著陸區30公里的織女撞擊坑,遙感光譜數據顯示該坑濺射物中橄欖石含量在徑向分佈上出現明顯不同的三個區域。織女撞擊坑直徑大約為3.8公里,其挖掘深度大約300米。這意味著在著陸區附近300米深度以內,至少存在三層成分不同的地層,這與雷達數據推測的結果相吻合。

  那麼,雷達探測到的多層的玄武岩是從哪裡來的呢?根據中國科學院空天信息創新研究院研究員邸凱昌團隊提供的著陸區高程模型和雷達獲取的地下界面位置,使用趨勢面分析(Trend Surface Analysis)算法,給出了不同層表面變化趨勢(圖3)。

圖3 趨勢面分析(三角形為著陸器位置,黑色星號為玉兔二號軌跡點位置,白色箭頭表示從低地勢指向高地勢)
圖3 趨勢面分析(三角形為著陸器位置,黑色星號為玉兔二號軌跡點位置,白色箭頭表示從低地勢指向高地勢)

  從趨勢面分析的結果可以看出,A、B、D層反射面都是西南高、東南低。由於玄武岩是由高向低流動的,因此更高的方向可能是玄武岩層來源的方向。而在著陸區域的西南方向,我們觀測到一個火山口穹頂(圖4)。從穹頂的高程數據來看,在馮•卡門撞擊坑表面至少存在著三次較為大型的噴發,而且這幾次噴發的厚度與我們的觀測結果較為一致。C界面東南方向較高,我們推測是由Alder撞擊坑濺射物覆蓋導致。根據對撞擊時序、估計厚度值和噴射源方向的分析,E層之下是某次或多次撞擊事件的濺射物。

圖4 著陸區西南部玄武岩流構造。
圖4 著陸區西南部玄武岩流構造。

  上述成果發表在近期的《自然∙通訊》雜誌上。該工作獲得了澳門科技發展基金(0042/2018/A2, 0089/2018/A3, 005/2017/A1 and 0079/2019/A2),國家航天局民用航天預先研究項目(D020101),江西省教育廳基金(GJJ180489)等經費支持。

  論文信息

  1.First look by the Yutu-2 rover at the deep subsurface structure at the lunar farside。

  https://www.nature.com/articles/s41467-020-17262-w

  2.Comparison of Dielectric Properties and Structure of Lunar Regolith at Chang‘e-3 and Chang’e-4 Landing Sites Revealed by Ground Penetrating Radar。

  來源:“中國探月工程”微信公號

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