空間中心發現月球上可能存在10億年內年輕火山作用

　　我們肉眼看到的月球暗色部分是廣大的火山巖平原，是大小規模不等的撞擊盆地被火山物質（主要是玄武巖）填充后形成的。月球上的火山作用始于40億年之前，但是其熄火時間節點一直存在爭議。確定月球火山作用可靠的時間線是約束月球成分和熱演化模型的重要前提。已返回月球樣品揭示月球火山作用主要發生于31至38億年期間，已發現的與火山作用有關的最年輕月球隕石形成于25億年左右。雖然利用撞擊坑大小-頻率分布統計分析方法得出最年輕的月海玄武巖單元可達12億年，但一些地球物理模型顯示月球上的火山作用止于20億年之前。由于撞擊坑統計方法在計算小面積表面暴露年齡上存在不可避免的缺陷，因此月球上是否存在更為年輕（即10億年以內）的火山作用一直存在爭議。

　　近日，中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員張鋒、鄒永廖及合作團隊基于一種新近被發現且認識尚淺的火山地貌特征，采用月球表面侵蝕和發展模型等多種定年方法，為月球上存在10億年內年輕火山活動提供了直接證據。

　　張鋒于2017年首次利用高分辨率遙感影像觀測到此類火山地貌特征，并將其命名為環形凹陷穹丘（RMDSs），它們是以離散（圖1a-1c）或成簇聚集（圖1d）形式分布于火山平原上的圓形丘（類似地球上的圓形土堆），但與傳統火山穹隆不同的是，它們直徑小（平均直徑~200米，多數高度小于16米）、頂部平坦、普遍缺少噴口且周圍被凹陷地形環繞。基于比較行星學研究，它們的形成與噴發到月球表面的熔巖成分及其在月表的動力學行為（包括冷卻結晶、膨脹作用、集氣、減壓和排氣過程等）有關。火山噴發后期相對富含揮發分（特別是水）的熔巖注入到已淬火、冷卻的熔巖殼下面，在月表真空和低重力環境下，里面的壓強增大導致上覆冷凝殼破裂，從而引起內部減壓并產生泡沫巖漿（揮發分含量較高或孔隙度較高的熔巖），在壓強的驅使下泡沫巖漿沿裂隙上涌并在表面聚集，內部物質的排放和表面重力的加載導致周圍地形下沉并形成環形凹陷（圖1e）。

　　環形凹陷穹丘是在熔巖流動過程中形成的，理應與下伏玄武巖單元具有相同的年齡（同時期形成，而這些玄武巖單元年齡絕大多數>30億年）。但后續研究中發現，一些環形凹陷穹丘部分填充到直徑小于300米的小型撞擊坑內部（圖2），因此，與這些環形凹陷穹丘相關的火山作用在發生時間上應該晚于這些小型撞擊坑，即如果得到小型撞擊坑的年齡就可以確定環形凹陷穹丘的形成年齡上限，本研究采用現有多種形貌測年方法，包括形貌測量方法、表面地形擴散侵蝕模型、蒙特卡洛模型（改進型表面侵蝕模型）、月壤形成和發展模型以及撞擊坑大小-頻率分布測年方法，測得環形凹陷穹丘的年齡范圍為1.3-15億年，多數<10億年（圖3），也就是它們形成于月球年代學的最年輕時期，即哥白尼紀（約11億年至今）。

　　但如此年輕的火山作用是如何發生的？發生晚期內部熔融事件的熱源又來自哪里？根據目前月球熱演化理論，還沒有證據顯示月球晚期內部曾發生過大規模熔融事件。因此，針對目前存在的科學問題，團組還將繼續展開深入研究。

　　該研究不僅為月球上存在10億年內火山作用提供了直接證據，同時也列出了發生如此年輕火山作用應該滿足的地球物理條件，為未來載人或無人探月任務選擇科考點提供了參考，特別是為進一步完善或改進已有月球熱演化模型提供了約束和依據。該項研究成果發表在國際期刊Journal of Geophysical Research: Planets上。

　　圖1.（a-c）基于三維成像的獨立環形凹陷穹丘；（d）三維顯示：高密度聚集分布的環形凹陷穹丘群；（e）環形凹陷穹丘成因機制示意圖。

　　圖2.高分辨率三維顯示：一些環形凹陷穹丘部分填充到小型撞擊坑內部。

　　圖3.地形參數測量結果得到的被環形凹陷穹丘覆蓋的小型撞擊坑的模型年齡，其中四個年齡<5億年，兩個10億年左右（紅色部分）。