月球深震发生的力学成因

Deep moonquakes occur at depths of about 700-1200km, and often locate at the particular focal areas as clusters with a period of 27 days. The deep moonquakes cycle coincides with the period of the rotation of the moon around the earth, revealing the relation with the tidal stresses produced by the Earth. However, an in-depth understanding of the specific mechanical mechanism is still lack and not clear. With the ongoing Chang'e project in China, it is an important and urgent issue to immediately carry out research on mechanism of moonquake occurrences. We already have the capacity to calculate tidal stress and thermal stress in a three-dimensional lateral heterogeneous moon, and such kind of calculations have not been reported in literatures. Therefore, we will apply parallel finite element method to make numerical calculations on the lunar tidal stress in order to explore the triggering mechanism of deep moonquakes by using both spherical symmetric moon model and laterally heterogeneous moon model. We will also investigate the cooling history and evolution of thermal stress in lunar lithosphere, so as to understand the stress state and pore pressure magnitude in the lunar mantle, and to explore the long-term rate of strain energy accumulation. This study will enhance our understandings on the lunar stress state and moonquake physics, to give a full explanation of spatial clustering of deep moonquakes and periodicity of 27 days. The comparative study with the earth will also help research of seismicity in the earth.

月球深震发生在约700-1200km深度，往往在特定震源区内丛集发生且有27天活动周期，与月球绕地球旋转周期一致，显示了与地球引起的潮汐应力的相关性，但具体力学机制尚不清楚。我国正在开展嫦娥计划，立即开展月震力学机制研究是一重要和迫切的课题。我们已具备对三维横向不均匀固体月球整体进行热应力和潮汐应力数值计算的能力，而迄今未见到国外有类似报道，因此本申请将采用并行有限单元法，分别采用球对称月球模型和横向不均匀月球模型，对月球内潮汐应力进行数值计算，研究月球深震被触发的力学机制；探讨月球岩石圈冷却历史和热应力演变，了解月幔应力和孔隙压力环境及月球深震孕震区域应力的长期积累速率。使我们对月球深部结构、应力状况及其变化规律和月震物理过程取得更深的认识，解释月球深震空间上在特定区域丛集发生和时间上以27天周期和特定时间间隔发生的物理原因。另外，本研究与地震的比较研究将有助于地震活动性的深入研究。

月球曾经被认为构造运动早已终结，但阿波罗计划月震台站记录了13058个月震事件。发生最频繁的是震级微小的深源月震（7400个），位于深月幔部分熔融层之上的700~1200公里的深度范围内，并具有接近恒星月的27.3天的周期。浅源月震带与深源月震带没有中源月震相连、是隔离的，仅记录到28个，但震级要远大于深源月震，且具有很高的应力降，可能是逆掩断层机制。此外还有热事件月震，以及外来成因的陨石撞击事件。月震的形成机制是重要的科学问题。本项目对月球对流和传导造成的冷却过程进行了数值模拟研究。发现月球处于不均匀冷却状态，表浅和核幔边界附近冷却速率低，中深部月幔冷却速率高，这样在在月球浅层造成水平挤压应力，在月幔底层造成水平应张应力。浅源月震区域内，热应力大小可以造成浅源月震区岩体破裂，且热应力以水平挤压为主，足以产生逆掩断层月震，与实际观测吻合；深源月震区域内，热应力虽然也有集中，但考虑到高温高压下应力松弛，其累积量级大小并不足以成为造成无水干月岩破裂，初步分析表明深源月震可能与临近核幔边界的最下层月幔部分熔融层释放的流体有关，高孔隙流体压力造成其上深震震源区域应力状态处于亚临界破坏状态，在地球对月球的潮汐作用触发下周期性发生小震。本项目的研究初步揭示了月球冷却收缩热应力与深、浅源月震产生机理间的关系，对未来的进一步深入研究提供了基础。本项目还揭示了没有大气的月球南北两极和赤道地表温度存在显著差异，因此，与具有大气的行星（如地球）不同，月表纬度温差会影响到月幔对流状态、特别是早期月幔对流状态，为今后研究月球早期演化提出了一个需要增加考虑的因素。项目也对月球表浅温度在太阳照射变化下找成的温度变化和热应力变化进行了模拟，认为热应力足以引起热事件月震的发生，观察到的热事件发生频度的确与热应力及其变化率峰值期相关。还探索了利用月面斜坡滚石推测历史月震震级；利用陨坑地形风化状况进行定年；对熔岩管宜居性的力学热学模拟研究等。