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月球重力异常特征与三维密度成像研究

梁青  
【摘要】: “嫦娥工程”总体目标之一是研究月球的起源和演化,特别是月球内部层圈结构的形成和演化。以新近的高分辨率高精度的月球卫星重力、地形地貌以及其它月球物理、月球化学探测资料为基础,通过分析和反演月球重力异常,可以更进一步地刻画月球内部结构,为研究月球演化提供依据。论文旨在利用嫦娥一号探测成果,采用新的方法获取月球全球布格重力异常,依据月球重力场特征,分析与识别月球质量瘤,并通过实现月球全球重力异常三维反演,探讨月球撞击盆地演化以及月陆、月海壳幔结构特征等科学问题,为实现我国“嫦娥工程”科学目标提供资料和知识积累。本文采用地球物理反演理论与行星地质科学问题相结合的思路,基于我国嫦娥一号地形模型CLTM-s01和日本SELENE最新月球重力模型SGM100h,研究探讨了月球内部结构及演化问题。 论文首先从月球布格重力异常特征分析着手,根据布格异常的定义,运用球坐标系地形引力效应计算方法,进行了全球地形校正计算,获得了月球全球布格重力异常。通过分析对比质量瘤的异常特征,提出了用布格重力异常识别质量瘤的思想,认为Hertzsprung和Korolev撞击盆地并不具备质量瘤的特点,推断质量瘤撞击盆地高密度物质可能有不同的成因。统计显示,质量瘤盆地可分为平原类型和高地类型,面积较小的高地型质量瘤盆地的高密度物质主要分布在浅部,为充填的高密度玄武岩质岩石;平原型质量瘤盆地的高密度物质主要分布在深部,为上隆的高密度月幔物质。南极Aitken盆地存在与雨海类似的布格重力异常特征,因此本文将其列为月球最大的平原型质量瘤盆地。 论文在分析目前国内外位场反演成像方法的基础上,系统地讨论了球坐标系统中位场反演问题,尤其是模型加权函数问题。依据Backus-Gilbert模型评价理论,给出了新的全球密度成像模型目标函数,通过分析直角坐标系统中模型深度加权函数,推导出了基于球坐标系统的模型深度加权函数,并成功地构建了全球卫星重力异常密度反演算法的技术流程;通过模型约束和评价来压制降低反演的非唯一性,获得了可信的密度成像结果。理论模型密度成像结果表明,算法稳定收敛。 论文根据上述方法所得到月球布格重力异常,首先对雨海、澄海和东方海三个典型质量瘤撞击盆地的重力异常进行了反演成像,结果表明,质量瘤的异常源主要位于20-50km深度之间。其次,全球三维密度成像结果印证了局部密度成像结果,说明全球密度成像方法能获得合理的密度结构,且异常源之间有微弱连结。南极Aitken盆地下方的密度结构与正面质量瘤盆地类似,高密度物质同样集中在20-50km深度;在月球背面斜长岩高地区域,月球内部的径向密度极小值分布在10-50km深度。可以推测在50km深度之上,月球内部物质在球面和径向分布不均匀;而在50km之下,物质密度分布较均匀,斜长岩高地的月壳厚度可能达不到此前认为的100km。 论文所采用的月球卫星重力异常反演和分析方法,为月球内部结构研究提供了定量化的手段,所提出的球坐标三维密度成像方法,可用于球体内部三维结构分析,为行星内部结构及演化研究提供了新的途径。


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