空间中心科研人员在月球火山活动和热演化领域取得研究新进展

岩浆火山活动是塑造月球内部圈层结构的最重要内动力地质作用，直接反映了月球内部物质组成、热状态及演化历程，是研究月球地质和热演化的重要窗口。小型盾状火山（如月海穹窿，Mare dome）和环形凹陷穹丘（Ring-moat Dome Structure, RMDS）作为月球大型撞击盆地内部最常见的火山地貌，是了解月球上火山喷发机理(类型、机制、过程)、内部岩浆源区性质及其上升、侵位和喷发等热动力学过程的重要研究对象。

静海作为月球上最古老（形成于40亿年前）的大型撞击盆地之一，是小型盾状火山和RMDSs最集中的地区之一。其内部充填的火山物质是月球上平均二氧化钛含量最高的玄武岩，静海是一个边界轮廓不规则且地理中心不存在布格重力异常的非质量瘤盆地（图1），富钛玄武岩可能源自高钛铁矿地幔源区，受控于月球岩浆洋（月球形成后的全球熔融事件）冷却、结晶分异和后期重力翻转等内部热动力学过程，因此，这使得静海地区成为研究和理解盆地玄武岩充填过程和月球早期热演化的最佳场所之一。

近日，中国科学院国家空间科学中心行星环境与演化团队领导的国际研究小组，通过识别静海地区200个小型盾状火山和>6400个RMDSs，并对它们的空间分布及相关性、形态学参数测量及统计规律，成因和火山喷发机制等方面开展了详细研究（图1），提出了该盆地火山地貌多样性的成因模型：即月球早期较薄月壳地质背景下，壳-幔边界岩浆房生长和膨胀机制（图2）。

图1. 静海地区RMDS（黑点）和月海穹窿（一类小型盾状火山）的空间分布关系，其中80个月海穹窿（绿圆）顶部和侧翼分布有RMDS，其它120个月海穹窿（绿五角星）上面没有RMDS。底图为假彩色高程图，可以看出大多数月海穹窿位于东部高地。

研究团队通过对静海地区80个表面覆盖RMDSs的月海穹窿和120个无RMDSs覆盖的月海穹窿进行了多角度的定量化统计分析，提出静海地区原始较薄月壳和浅层岩浆房模型（图2），对静海地区包括月海穹窿和RMDSs在内的火山地貌多样性及其空间相关性给出了合理解释。在位于壳幔边界处的岩浆房生长和膨胀过程中，较薄的月壳有利于岩浆以岩墙群的方式慢速上升到月表，形成较低喷发速率和通量的火山喷发事件，由于冷却速率较快，从火山口溢流出的熔岩流在火山口周围堆积，并最终形成小型盾状火山，即月海穹窿。同时，在高/径比值相对较小的月海穹窿表面易于形成RMDSs，这是由于平缓的地势有利于流动岩浆在排气和压强控制下的热膨胀作用，可以合理解释静海盆地月海穹窿、RMDSs和其它火山地貌的“伴生关系”。

图2. 本研究提出的静海盆地地区月幔源区部分熔融的上升（a），在密度和浮力控制下，岩浆在壳-幔边界驻留、增生、扩展并形成岩浆房（b），由于月壳较薄，岩浆上升到月表并喷发形成系列火山地貌的成因机制模型（c）。

该研究成果发表在Journal of Geophysical Research-Planets期刊上，研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院重点部署项目的资助。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023JE007969

Citation: Zhang, F., Head, J. W., Wilson, L., Meng, Y., Wӧhler, C., Guo, D., et al. (2024). Insights into lunar basaltic volcanism from mare domes superposed by ring-moat dome structures (RMDSs) in Mare Tranquillitatis. Journal of Geophysical Research: Planets, 129, e2023JE007969. https://doi.org/10.1029/2023JE007969

（供稿：天气室）