锌同位素在行星科学中的研究进展

近年来有关太阳系天体中等挥发性元素的研究掀起了一波浪潮。锌作为中等挥发性元素,其稳定同位素对于高温挥发过程具有很好的指示作用。因此,在行星科学领域锌同位素逐渐成为研究星云和行星演化的一个理想工具。本文系统地归纳了各类陨石和行星天体储库的锌同位素组成,并对不同种类的陨石以及地外样品(碳质球粒陨石、普通球粒陨石、顽火辉石球粒陨石、橄辉无球粒陨石、铁陨石、石铁陨石、月球陨石和Apollo样品、火星陨石、灶神星陨石等)中的锌稳定同位素研究内容进行了较全面的总结。主要包括不同陨石和行星锌同位素组成的控制因素以及锌同位素对太阳系内星云过程和行星过程的指示;同时,简要论述了锌同位素在太阳系形成和演化过程中的分馏机制,并立足目前的研究基础,探讨锌同位素在行星科学领域的研究前景和发展趋势。

低温低压条件下辉石粉末的热导率实验分析:对月球及火星表面热环境研究的指示

在真空条件下矿物粉末热导率的实验测量,可为我们研究月球及行星表面的热属性和热演化,解译热红外和微波探测数据,开展月球及行星探测载荷设计提供重要的数据参数。本研究主要采用改造后的Hot Disk TPS 2500S导热仪对辉石粉末的热导率进行测量。同时,分析了真空度、温度对辉石粉末热导率的影响。实验结果表明:1)热导率随着真空度的降低呈下降趋势,大气压力在1000Pa时,辉石粉末热传导机制发生明显改变。在低压条件下(<1000Pa)热导率随真空度的变化趋于平缓;2)辉石粉末热导率随温度的升高而增大,但是增大的幅度在低压和常压条件下存在明显差异。根据实验结果,提出了低压条件下辉石粉末热导率随真空度和温度变化的关系式。本研究表明,在月球和火星表面热环境的研究中,温度和压力对热导率的影响程度是不同的。上述结果对未来开展地外样品的热导率测量提供了重要的参考。

月球雨海盆地多环结构的厘定及其深部构造研究

雨海盆地是月球正面最大、月球上研究程度最高的多环结构撞击盆地,已有很多学者对其多环结构的边界进行恢复研究,但在多环结构最初始形状、多环位置/数量、盆地大小等方面,至今未能达成共识。本文利用GRAIL自由空气重力异常数据、LOLA激光测高数据进行了多源数据的融合,结果表明,雨海盆地是具有偏心圆的三环结构特点,其直径从外到内分别为1 500km、1 100km、665km。基于欧拉反演结果研究表明,在雨海撞击盆地中部存在两种不同深度、构造运动性质及方向的断裂构造,即:(1)深度大于40km,向下逐渐向内倾斜、延伸的深部断裂构造;(2)深度在40km以内,由月表向下逐渐向外倾斜、延伸的浅部断裂构造。结合物质成分及地球物理特征的研究,雨海地区的地质构造演化过程可分为两个阶段:(1)在月球早期阶段(45~38.5亿年),主要以内动力地质作用即岩浆洋冷凝过程为主,形成了雨海盆地深度在40km以下逐渐向内倾斜、延伸的构造断裂,其为本区在月球早期深部岩浆洋产生、分异及运移提供了通道,该构造断裂代表了雨海盆地撞击前的月球早期深部岩浆洋的构造地质演化阶段;(2)在月球晚期阶段(≤38.5亿年),主要以内、外动力地质作用并重,形成了雨海盆地深度在40km以内逐渐向外倾斜、延伸的构造断裂,其应为本区不同期次的玄武质岩浆喷出或溢流到月表提供了运移通道,该构造断裂代表了雨海盆地撞击后的月球晚期不同期次玄武质岩浆喷发、充填溢流的月海岩浆活动作用的构造地质演化阶段。

月球东海盆地综合解析与撞击初始条件的研究

东海是月球上最年轻的多环撞击盆地,关于其形成机制的研究很多,但成果大都基于正撞击的机制提出的,虽然有部分学者提出东海是斜撞击的,但缺乏具体撞击参数。本文通过多源数据融合,综合分析LRO影像数据、LOLA地形数据、M^3高光谱数据和IIM高光谱数据,对东海地区的地貌特征、物质成分进行了较为系统的解译,发现在东海中央熔融区存在一条与东海撞击方向垂直的中央隆起区域(中央隆起线),其也是中央熔融区粗糙部分与光滑部分的分界线,结合撞击坑成坑理论,认为其可能是撞击过程冲击波作用引起的堆叠作用形成的。同时利用GRAIL数据及对该地区的重力异常的成因进行了分析,认为异常是由于压强、温度及岩石粘度的改变引起局部莫霍面抬升和中央熔融物的形成而出现的,进而估算出熔融物占盆地内物质的25%,约为1.1×10~6km^3。同时,对GRAIL数据的剖面分析结果也支持了本文的斜撞击理论。最后,综合多方面的信息和撞击理论获取东海盆地构造分布图,并根据中央隆起线、溅射物及线性构造的分布特征等,提出东海盆地理论上是由一直径在50~100km的撞击体以10~30km/s的速度自东偏北约20°~30°方向以20°~30°的角度斜撞击月表而形成的。这可为研究更早期的月球撞击坑提供理论参考。

月球起源研究进展

月球是地球唯一的天然卫星,早期学者认为地月系统是普遍存在的行星-卫星系统的一员,但是月球又有许多特征,如质量异常大,挥发分和Fe元素亏损等,传统理论难以解释这些特征。因此,针对月球的起源提出了四种学说:捕获理论,共增生理论,分裂理论和大碰撞假说。目前对大碰撞假说研究较多,但研究者们始终无法较好解释地月系统氧同位素的高度一致等特征。本文试探性提出新的月球起源分裂模型,能较好的解释某些月球特征,引起研究者们对月球起源新的思考。

月球尘埃对太阳电池主要参数影响研究

月尘是影响月球探测任务及月基太阳能电站(LSP)太阳电池阵列的性能和寿命的因素之一。为预估太阳电池的性能衰减,通过月尘对太阳光遮挡情况的分析,预计出太阳电池主要参数,例如短路电流、开路电压和最大输出功率的理论变化关系。通过模拟实验获得太阳电池主要参数与月尘沉积质量的试验变化关系,并对相关研究进行分析和讨论。结果表明太阳电池性能预估变化趋势与实验结果一致。

月球地质年代学研究方法及月面历史划分

介绍了确定月球地层单元相对年龄和绝对年龄的方法。建立相对年龄的方法主要有4种:地层叠置法、撞击坑大小-频率分布统计法、撞击坑形态法和月壤成熟度法;研究绝对年龄的方法有两种:样品的同位素测年法和月球成坑计年法。回顾了现用月球层序划分的形成及发展过程,在此基础上,提出了改善月球年代划分的建议,分别用冥月宙、古月宙和新月宙表示月球内动力地质作用为主的时期、内外动力地质作用共同作用的时期和外动力地质作用为主的时期。推荐以南极艾肯盆地的形成为界线,将前酒海纪划分为前艾肯纪和艾肯纪,分别表示月球内动力地质作用为主的演化期和内外动力地质作用并重的演化初期。这种改进后的"三宙六纪"的月球年代划分既可以形成逻辑上更符合月球动力学演化过程的月球年代划分,同时又有助于开展在月球背面的地质研究。

月球表面矿产资源原位利用研究进展

月球作为地球唯一的天然卫星,存在着丰富的资源,是人类开展深空探测的首选目标,也是人类进行外层空间探测的理想基站。月球表面矿产资源原位利用技术(ISRU)一直是研究的热点,其目的在于清洁高效地提取月球表面的矿产资源,满足月球基地建设和深空探测的需求。由于月表环境特殊,传统的提取工艺不能够满足需求,所以要提出与其适用的方法。本论文从冶金学科角度阐述了ISRU的现状,介绍了月表的环境特点、月壤组成以及能源种类;叙述了月表所含矿产资源的种类、赋存状态以及各类金属的元素的质量分数以及存在的地理位置。系统归纳了现阶段ISRU提取金属的工艺,并分析了各工艺的特点,着重阐述了还原法,电解法,热解法以及其他方法的工艺及原理,并对各原位利用技术从工艺、实施角度等方面进行了总结与评估。月表矿产资源的提取必须遵循原位提取的原则,载荷和环境等条件制约着现有工艺的施行。月壤主要氧化物组成包括CaO,MgO,Al2O3,TiO2,SiO2和FeO,其储量可以满足需要。同时,针对不同资源的提取应采取不同的措施,如用氢还原实现Fe的提取,使用电解法提取Al,Si和Ti,使用热分解法提取O等。此外,文章还基于ISRU的共性与发展趋势,指出月表矿产资源的开发需要在发展新工艺的同时,以现有工艺连续化操作、清洁循环利用资源、设备小体积、轻量化以及电、光能化作为未来研究的主要方向。

月球水冰资源综合开发技术研究概况

水冰作为月球的重要资源,是未来月球科研站以及月球基地建设和运行的基本保障,开展月球水冰资源综合开发技术研究是目前各航天大国的关注热点之一。本文调研了有关月球水冰的探测和研究成果,阐述了月球水冰的赋存状态与分布特征,详细分析了月球水冰资源在开采提取、分离纯化、储存运输和分解利用等环节的技术方案,并简要评述了各个方案的优缺点。结合中国未来国际月球科研站的建设规划与美国以建立月球基地为目标的阿尔忒弥斯(Artemis)计划,评价分析了适宜开展月球水冰资源综合开发的地区和可行的技术方案,为中国在月球两极地区的水冰资源开发利用方案提供参考。

柴达木盆地红崖中国“火星村”选址区与火星的类比研究

柴达木盆地是我国境内首个火星类比区。其中,大柴旦红崖地区被选为中国“火星村”的建设地点。本研究从红崖地区的地质构造背景、气候环境、地形地貌、矿物岩石类型等方面开展了与火星的类比研究。研究表明,红崖地区位于柴达木盆地,其气候环境与干燥寒冷的现代火星类似。红崖核心区及周边具有多种类火星地貌,包括沙丘、河谷、树枝状结构、黑影区域、多边形结构和雅丹地貌等。红崖地区的岩石和土壤中存在多类火星矿物,包括石英、碳酸盐、石膏、石盐、斜长石、碱性长石和绿泥石等。红崖地区可为未来火星探测器和载荷的地面验证试验及相关的科普科教活动等提供天然实验场地。

近地小行星太空风化光谱效应的模拟实验研究

本文选取3种类型的陨石分别进行脉冲激光辐照实验,模拟距离太阳1个天文单位(1 AU)处,10亿年(1 Ga)期间微陨石轰击的太空风化作用对E型、S型、C群等近地小行星光谱特征的改造。结果显示,激光辐照后,顽辉石无球粒陨石光谱的可见光波段反射率降低且近红外斜率增加,与E型小行星光谱改造特征一致;普通球粒陨石的可见光-近红外波段反射率均降低、吸收深度变浅且近红外斜率增加,与S型小行星光谱改造特征一致;CV3型碳质球粒陨石和CO3型碳质球粒陨石在激光辐照后可见光波段反射率降低,但近红外波段反射率升高,吸收深度变浅且近红外斜率增加,与贫挥发分的C群小行星光谱改造特征一致;CM2碳质陨石在激光辐照后,可见光波段反射率增加,但近红外波段反射率及近红外斜率降低,与富挥发分的C群小行星光谱改造特征一致。研究结果可为近地小行星探测任务备选目标的确定、光谱遥感数据以及表面物质演化过程的反演提供一定的参考。

月球角砾岩Bechar 003、NWA 13788和NWA 11110中岩屑溯源研究

月球角砾岩是月球陨石的代表性样品,含有多来源的岩屑,是揭示月球内-外动力演化历史的重要窗口。本文对Bechar 003、NWA 13788和NWA 11110月球陨石中的岩屑开展了岩相学、矿物学及地球化学分析,通过岩相、矿物成分、全岩主微量元素等岩石地化综合分析,旨在厘清这3块样品中岩屑的类型、来源与成因机制。结果表明,3块陨石内部的斜长辉长质冲击熔融岩屑、微斑熔融角砾岩屑、以及辉长质斜长岩屑的初始物质由均是月海玄武岩与月球高地岩石的混合物,不同初始物质成分的岩屑表明月表经历了冲击事件,并且冲击事件发生在月表的不同位置,冲击事件造成月球高地岩石与月海玄武岩或非月海溅射物的混合。

嫦娥五号月壤中钛铁矿的工艺矿物学研究

嫦娥五号任务采样点位于月球风暴洋的月海玄武岩单元,其中钛铁矿含量为5%~10%(体积分数,下同)。本文从资源利用的角度开展了钛铁矿的工艺矿物学研究,以期为月球资源的采、选、冶等提供基础参数。本研究利用扫描电镜、电子探针等实验方法,对嫦娥五号月壤样品的矿物组成,以及样品中钛铁矿的粒度特征、颗粒形状、化学成分和解离度等进行了分析研究。结果表明,嫦娥五号玄武岩中的钛铁矿以细粒为主,其中粒度为7.5~200μm的钛铁矿数量占97%;钛铁矿颗粒呈粒状、针状、柱状和不规则状,数量较多的是粒状与不规则状;钛铁矿中TiO_(2)含量为50.78%(质量分数),FeO含量为47.35%,其中粒状、不规则状钛铁矿TiO_(2)含量变化范围相较于针状、柱状变化范围更大;含钛铁矿的矿物颗粒整体的粒径越小,钛铁矿的单体解离度越大,更容易解离为单体。

嫦娥五号月壤纳米级单质金属铁的形成及生长规律的原位电镜研究

纳米级单质金属铁(纳米铁)是无大气保护的地外星体表层长期受太空风化改造的特征产物,是记录月壤形成与演化信息的关键载体,同时也是影响月表反射光谱遥感探测的主要因素。纳米铁的形成机制除了汽化沉积作用之外,近年来在嫦娥五号月壤中还发现了分解反应和歧化反应成因的纳米铁,但其生长规律和形成条件约束目前尚不清楚。因此,本文采用先进的电镜原位加热技术,选取嫦娥五号月壤中的橄榄石、辉石和陨硫铁等含铁矿物作为研究对象,系统性地模拟月壤中含铁成分的物质在亚固相线条件下(湿度不高于800℃)的热改造过程,记录纳米铁在各矿物中的形成方式及生长规律。通过统计纳米铁的粒径尺寸,探讨不同矿物相中纳米铁的粒径分布,为遥感探测光谱数据的解译提供有价值的参考。

月球形成演化与月球地质图编研

按照大碰撞假说,月球形成于一次大碰撞事件,抛射出的高能量物质留在绕地轨道上,最后吸积形成月球。月球核幔在早期迅速发生分离,并出现全球性的岩浆熔融,形成了岩浆圈层(岩浆洋)。岩浆洋的结晶分异和固化导致了月壳的形成。随着月壳与月幔发生持续分异,形成了固化的月壳。而在月球后期的演化历史中,撞击作用是最重要的地质作用,形成了多尺度、多期次的撞击盆地和撞击坑,而大型撞击盆地多形成于月球演化的早期。月球地质图是开展月球形成与演化研究的重要手段,从20世纪60年代起,到70年代末止,通过对阿波罗时代探月成果的系统总结,完成了第一轮月球地质图的研制。但尽管从20世纪90年代以来国际月球探测和月球科学的研究进入一个新的高潮,获得了大量有关月球形成和演化的新认识,但还没有正式的新的月球地质图发布,因此开展新一轮月球地质图的编研,系统总结后阿波罗时代的月球探测与研究成果,是非常必要和迫切的。在新一轮月球地质图的编制过程中,需重点关注图件比例尺的选择、月面历史的划分以及月球构造和岩石建造的表达。

行星式球磨破碎CLRS-1模拟月壤的粒度分布特征

行星式球磨破碎CLRS-1模拟月壤可以获得与月尘粒度分布相似的模拟物质。该方法具有出料物颗粒直径十分细微、损耗率低、操作条件容易控制的特点。本文探讨了CLRS-1模拟月壤研磨后粒度分布受物料比、研磨时间和组分影响。物料比为1∶1∶2时,细化程度最好;随着球磨时间的延长,CLRS-1模拟月壤的中值粒径下降速度减缓,粒径分布范围不断缩小;研磨时间达到6h,物料达到最细,中值粒径约0.30μm。由于主要组分火山玻璃、斜长石和橄榄石之间在硬度方面存在明显差异,CLRS-1模拟月壤经研磨后的粒度分布呈现双峰模式。

月球顽辉石质子注入的SRIM模拟

本文旨在通过模拟实验评估太阳风质子在月表顽辉石辐射损伤中所起的作用。实验通过SRIM软件开展,系统模拟了太阳风质子对顽辉石的辐射过程,获得了太阳风质子在顽辉石中的射程、浓度分布,主要组分的溅射产额以及顽辉石的晶格损伤分布等重要参数。实验结果证明,足够剂量的太阳风质子能够对顽辉石的晶格结构形成明显的损伤,并最终导致非晶化。除此之外,太阳风质子还能够通过对不同元素的差异溅射降低顽辉石的Mg/Si与O/Si。由此得出以下结论:太阳风质子能够显著改变月表矿物的晶体结构与化学组成,是制约月表物质太空风化演化的重要因素。

存在初始“传导盖层”的月球岩浆洋演化与月壳成因

月球早期经历了岩浆洋阶段,岩浆洋的研究对认识月球内部构造有着重要意义。月球岩浆洋演化主导模型认为:岩浆洋结晶到80%左右,斜长石开始结晶,并上浮形成斜长岩月壳。该模型与观察事实存在两点矛盾:1)基于该模型计算结晶的斜长石An牌号比高地样品斜长石An牌号测试结果低;2)该模型散热速率计算指示岩浆洋在几个百万年时间内固化,而同位素体系对月球岩石样品定年结果表明月壳的结晶年龄十分古老,并且结晶区间跨越了270Myr,这与主导模型之间存在矛盾。以解决以上两点矛盾为目的,本文论证岩浆洋在演化之初硕部存在冷却"盖层",并将硅酸盐熔体在温度梯度下的热扩散效应引入岩浆洋演化模型。热扩散效应指均一的物质在温度梯度下发生分异的过程。本文工作模型是:由于月球的重力常数小,不能有效的保持大气,因此月球的岩浆洋表面温度很低。此时岩浆洋自上而下存在一个过渡的瞬态固化"盖层"(淬火层),岩浆洋自上而下存在温度梯度,岩浆洋在该梯度下发生热扩散效应(Soret效应),Soret效应导致上部结晶斜长石的熔体富Ca和贫Na,因此结晶的斜长石An牌号高。

月球正面与背面的差异对比与演化分析

月球的起源与演化以及月球正面与背面的差异性一直是科学研究的热点问题,月球正面和背面的差异性说明两个半球的演化过程存在不对称性。通过分析月球正面与背面的物理特征、岩石矿物特征和构造特征分布差异,研究形成月球正面和背面差异性的动力过程,进而解释月球正面与背面地质演化差异。结果表明:月球正面和背面的物理特征、岩石矿物特征和构造特征都存在很大的不同;月球正面和背面的地质演化可以划分为以内动力地质作用为主的阶段,内、外动力地质作用并存阶段和以外动力地质作用为主的阶段;以内动力地质作用为主的阶段和内、外动力地质作用并存阶段是造成月球正面和背面地质演化差异的两个主要阶段,而以外动力地质作用为主的阶段对月球正面和背面地质演化差异的形成影响较小。

月球地形地貌对各种月面探测技术的影响

月球的地形地貌一直以来都是备受关注的重要内容,它对光学成像、热红外、微波辐射等遥感探测以及月面探测活动具有重要的影响。与地球不同,月球上没有大气、海洋,也未发现生命迹象,对月球的探测直接面对着高低起伏变化的月球表面。而且,特殊的地形地貌,在矿物组成、含量方面也表现出显著的差异。本文介绍了光学成像、热红外遥感以及微波辐射遥感等月面探测技术的原理,通过分析其主要影响机理,认为月球地形地貌对各种月面探测技术的影响主要体现在不同地貌的岩石类型和组成差异影响、地形起伏和热环境差异影响以及崎岖月面安全威胁三个方面,这也是今后研究的重要发展方向。