月球岩石圈多尺度三维密度结构：对月球壳幔演化的启示

以新近的高分辨率高精度月球卫星重力数据、嫦娥系列探测数据以及其它月球物理、月球化学探测资料为基础，研究月球质量瘤盆地、南极-Aitken盆地、风暴洋KREEP岩地体和背面斜长岩质高地等典型地区的岩石圈浅部小尺度和月球全球深部大尺度的三维密度结构，探讨现今月球岩石圈多尺度结构与壳幔演化的关系，是本项目的创新内容。将经典的笛卡尔直角坐标系下的地球物理三维物性反演理论拓展至球坐标系统，并应用于月球球面重力数据反演，是本项目的创新手段。新的球面重力数据三维反演方法将解决卫星重力数据的直接反演问题，通过模型约束和先验信息降低反演的非唯一性，以获得可靠的月球岩石圈三维密度结构，分析不同尺度的密度异常成因对月球撞击盆地的形成过程和壳幔演化有着重要的启示。此外，新方法是地球物理反演理论与行星科学问题相结合的产物，将为研究类地行星内部物质密度分布、圈层结构研究提供新的技术手段。

本项研究利用公开发布的最新月球重力场模型，拓展新的地球物理反演方法和数据处理技术，研究月球岩石圈三维密度结构。主要研究内容包括：月球重力异常计算和特征分析；球面重力异常分离方法；球坐标系重力三维反演方法；在月表岩石密度、已知的月壳厚度和地形等资料约束下，研究岩石圈 0-100 km 深度的三维密度结构；月球正面虹湾-雨海地区壳幔结构；从重力异常中提取线性构造。研究结果表明：（1）在60-330阶次范围内，重力场与地形相关度超过90%，再次证明月球重力场细节部分的场源主要来自撞击盆地/撞击坑的物质分布；（2）将传统直角坐标系滑动平均方法（包括圆周法与网格法）拓展并应用到球面重力异常分离，效果优于直接截断重力场模型阶次来分离异常的方法，不仅适用于全球范围也适用于局部地区；（3）对近似的球冠面积分重力异常正演方法进行改进，提高了计算精度和计算效率，其计算精度取决于原始地形模型精度与球坐标系旋转后地形模型重构的精度。（4）在球坐标系构建出的球面重力异常反演目标函数，可以得到最平缓模型约束下的反演结果，该方法能获得月球内部各种尺度的密度结构。（5）利用球坐标系重力反演方法，获得了新的月球壳幔物质（0-100 km深度）三维密度结构，揭示了质量瘤物质密度的不均匀性，其正负密度异常分布印证了前人研究结果。（6）对虹湾—雨海盆地不同解算高度的剩余布格重力异常进行场源边界提取，结果表明在虹湾—雨海西北部下方的壳幔界面随深度增加向雨海中心倾斜，认为壳幔边界在此区域可能存在一个向虹湾方向的额外上隆。（7）月球重力异常线性信号主体为环形，且周围存在辐射状特征，对应月球各个质量瘤盆地；月球中低纬度地区可能存在呈北西-南东方向的一系列断裂，而高纬度地区线性信号呈东西方向，且连续性很强。此外，发现如东方海深部异常体向西南方向倾斜，雨海深部异常向南与南东方向倾斜，而危海等盆地下方的密度异常体直径随深度增加而扩大。以上研究为月球壳幔物质演化和大型撞击盆地演化提供资料和参考。.研究过程中，参加了数次与研究内容紧密相关的国内外学术会议，提交会议摘要5篇，其中在SEG、AGU和CGU会议上做了口头报告；发表学术论文4篇（其中1篇发表在JGR-Planets，第一作者和通讯作者）。.