 Astronomy and Astrophysics 天文与天体物理, 2013, 1, 39-44 http://dx.doi.org/10.12677/aas.2013.13006 Published Online July 2013 (http://www.hanspub.org/journal/aas.html) Two Lunar Far-Side BGA Mascons Identified by Chang’E-1* Jinsong Ping1,2,3, Xiaoli Su3,4, Jianguo Yan5, Qian Huang6, Qing Liang6 1Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration, National Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Beijing 2State Key Laboratory of Astronautic Dynamics, Xi’an 3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 4Research Center for Astro-Geodynamics, Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 5State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 6Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan Email: jsping@bao.ac.cn, xlsu@shao.ac.cn, jgyan@shao.ac.cn Received: Jun. 5th, 2013; revised: Jun. 25th, 2013; accepted: Jul. 3rd, 2013 Copyright © 2013 Jinsong Ping et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: By combining the lunar gravity field with the lunar topography model, the interior structure of lunar crust and mantle can be recovered, and the mascon area can be also recovered and investigated in some detail. Using the Chang’E-1 lunar topography model and the updated lunar gravity model by Chang’E-1 data, two middle size mascon basins, Fitzgerald-Jackson basin and Amundsen-Ganswindt basin are newly identified as BGA mascon basin. Also, the large BGA signal eliminates the uncertainty of existence of the Amundsen-Ganswindt basin together with the image data. Chang’E-1 data have some advantages on discovering the middle size lunar hidden basins. Keywords: Chang’E-1; Moon; Lunar Gravity; Topography; Mascons “嫦娥”-1 号探测数据新证认两个月球 背面质量瘤区域* 平劲松 1,2,3，苏晓莉 3,4，鄢建国 5，黄 倩6，梁 青6 1中国科学院国家天文台月球与深空探测重点实验室，北京 2宇航动力学国家实验室，西安 3中国科学大学，北京 4中国科学院上海天文台天文地球动力学研究中心，上海 5武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 6中国地质大学地球科学院，武汉 Email: jsping@bao.ac.cn, xlsu@shao.ac.cn, jgyan@shao.ac.cn 收稿日期：2013 年6月5日；修回日期：2013年6月25 日；录用日期：2013 年7月3日 摘 要：月球重力场与地形数据组合，可以揭示月球壳、幔等内部结构，还可以揭示月壳中的物质分布异常集 中的区域–质量瘤区域。利用“嫦娥”-1 月球地形模型，并结合优化的月球重力场，新证认“嫦娥”-1 发现的 月球背面中尺度撞击盆地Fitzgerald-Jackson、以及南极区域的 Amundsen-Ganswindt 是两个质量瘤异常区。同时 也进一步确认了Amundsen-Ganswindt盆地的存在，消除了在这个问题上的不确定性。这类中尺度的月球质量瘤 的发现证明了“嫦娥”-1号月球探测数据在测月学研究中具有独特的优势和特点。 关键词：“嫦娥”一号；月球；月球重力场；地形；质量瘤 *资助信息：本研究得到了中国国家自然科学基金和中国科学院月球与深空探测重点实验室相关课题的支持。 Copyright © 2013 Hanspub 39  “嫦娥”-1 号探测数据新证认两个月球背面质量瘤区域 Copyright © 2013 Hanspub 40 1. 引言 在月球的演化过程中，逐渐形成了月球物理和形 貌的二分性，主导了从月幔到月表的主要的天文和地 质特征。在形貌上体现在其正面多月海，地势平c坦； 背面多高地和撞击坑，地形起伏较大。在重力上正面 存在许多较大的质量异常区，而背面的重力异常主要 由高地和南极盆地主导。对月球二分形的高精度探 测，有利于清晰地揭示月球演化历程。 目前对月球和类地行星等星体壳幔结构分布、内 核成分及大小、岩石圈厚度等科学问题的研究主要是 利用重力和地形的资料。和其它类地行星一样，在月 球重力数据中包含了关于月球物理性质、内部结构、 起源演化等信息资料，是月球物理场中重要的信息组 成部分。利用月球重力场并结合其它约束条件，可以 为揭示月球内部物理特征、探究月球深部构造及层圈 形态、研究早期月球内部物质演化与运动过程提供强 有力的证据[1,2]。月球和行星重力场的异常是其星体表 面形状的起伏和内部物质密度空间异常分布共同产 生的。通过卫星重力的方法可以得到星球的自由空间 重力场异常分布，进一步地从中扣除平均密度条件下 地形起伏引起的重力异常部分，就得到了单纯反映地 下物质密度分布的重力场异常分布，即布格重力异 常。布格重力异常是研究月球和类地行星内部构造的 物理场依据。高精度重力场模型可以弥补月震观测的 不足对月核研究带来的限制或缺陷，对改进相关研究 具有重要的理论意义和应用价值[3,4]。为此，月球重力 探测仍然是当今国际月球探测的重要科学目标之一。 我国研究者梁青等人基于月球质量瘤的基本定 义——月壳中物质密度相对周边大、产生的引力效应 强，判定了在高强密度时可以直接通过自由空间重力 异常寻找到质量瘤，这是历史上常用的传统方法；同 时，可以利用布格重力异常的方法，寻找到地形凹陷、 或平坦，物质体积与周边相当或相对要小而自由空间 引力效应与周边相当，这些区域的布格重力异常很 大，仍然是密度较高的区域，表现为“隐形”质量瘤 区域。他们利用嫦娥-1 月球地形模型[5]，结合 LP 和 SELENE 得到的月球重力异常模型生成了新的布格重 力异常分布，发现了月球南极盆地是月面上最大的质 量异常区域[6]，为证明 Aitken 盆地的形成来源于一次 巨大的天体撞击提供了有力的证据，也为寻找质量瘤 提供了非常有效的方法。 本文根据嫦娥一号卫星得到的月球重力资料和 地形模型，采用球坐标地形校正方法，计算出月球全 球布格重力异常。在此基础上，认证了“嫦娥”-1 号 发现的背面中尺度盆地之一 Fitzgerald-Jackson盆地是 一个质量瘤区域，并且在认证南极区域 Amundsen- Ganswindt 盆地的一个质量瘤异常区的同时，也进一 步确认了 Amundsen-Ganswindt 盆地的真实存在，消 除了自 1969 年以来提出这个盆地以来，在这个问题 上的不确定性。 2.“嫦娥”-1 月球重力场 2.1. “嫦娥”-1 之前的月球重力场探测概况 月球重力场是研究月球物理性质及内部结构、月 球的起源和演化等科学问题的主要的手段[1]。由于绕 月卫星受到了从内到外、从正面到背面的月球全部物 质质量的引力作用，卫星重力方法可以方便地实现对 月球重力场的测量。 在对月球重力进行探测时，历史上比较完备的探 测是日本于 2007 年8月发射的探月计划“月女神” 一号和早期美国发射的LP 探测器。LP只实现了全月 球重力场和正面高分辨率重力场的观测。“月女神” 一号利用四程卫星中继无线电测量技术，首次实现了 对月球背面月球重力场短波长成分的直接测量。“月 女神”一号得到的月球重力场模型 SGM90[4,7] 和 SGM100h[8]。相比于 LP系列模型[3]在月球背面有显著 的改进，并发现了月球背面的环状包围的质量异常 区。 上述两个计划的探测主要通过对 100 公里高度的 极轨道卫星的测量得到的，而且“月女神”卫星平均 6~9 小时的一次动量轮卸载，使得其对月球重力场探 测存在一定的限制，最新的SGM100 h 模型在多方面 仍然需要继续优化。于2009 年6月发射的美国新千 年重返月球的第一个探测计划LRO (Lunar Recon- naissance Orbiter)[9]，在50 km 高的圆极轨道在轨运行 一年，其主要科学目标就是获取月面高精度高分辨率 地形及月球重力场。另外，2011 年美国将发射的月球 探测计划 GRAIL (Gravity Recovery and Interior Labo- ratory)，大大地 提高了 月球重 力场探 测的分 辨能力 和 精度，结果将于 2013 年底发布。这一计划将采用地  “嫦娥”-1 号探测数据新证认两个月球背面质量瘤区域 球重力场探测计划 GRACE 的卫星–卫星跟踪测量模 式，用于高精度月球重力场模型探测，预期精度将比 重力场模型 SGM90d提高三个数量级[10]。 2.2. “嫦娥”一号测量数据反演月球重力场方法 “嫦娥”一号绕月探测卫星于2007 年10 月24 日发射，经过调相段、地–月转移段、月球捕获段和 环月飞行段等多次轨道调整后，成为绕月飞行的极轨 圆轨道卫星，轨道平均高度为200 km[10]，在任务期间 积累了大量的测距测速跟踪数据。分析表明，使用“嫦 娥”一号测控数据可以有效反演50阶次以内的月球 全球重力场，而对更高阶次的重力成分不太敏感[11]。 利用这些数据独立地解算了月球重力场模型[12]，验 证 了数据的有效性，对现有月球重力模型进行了优化。 “嫦娥”一号月球探测器跟踪测量主要由中国卫 星测控网青岛和喀什两测控站的双程测距测速数据， 数据采样率为1 s。重力反演中还使用了“月女神”一 号数据包括中继星、VRAD 星及主卫星的双程测距测 速数据，中继星与主卫星的四程测速数据，以及由美 国JPL/NASA 深空网跟踪站获得的 1960 年代发射的 Apollo15 与16 号子卫星、Lunar Orbiter I-V及 Celementine 等探测器的轨道跟踪数据。此外还包括 LP 正常任务段跟踪数据。 绕月卫星精密定轨和月球重力场模型解算中用 到重力场球谐函数表达形式[13-15]： max 00 (, , ) sincossin , n Nn nm nmnm nm GM Vr r RPCmSm r 式中 r，λ，φ分别是月心球坐标系下月理坐标系中的 向径和经纬度，GM为月球引力常数，R为参考球半 径(文中取为 1738.0 km)，nm C和nm S为待估计的完全 正则化斯托克斯参数。重力场的解算通过动力法定轨 解析得到。 解算中用到了10 个月的“嫦娥”一号测量数据， 对100 阶次的重力场进行解析，发现重力场位系数得 到改进。图 1给出了包括引入全部10 个月“嫦娥” 一号测距测速数据的解算模型与先验重力场模型的 功率谱密度曲线，即阶方差 n (sig)与误差阶方差 n (sigvar)曲线图，二者的计算公式分别为[15]： Figure 1. Spectra of lunar gravity field models 图1. 各模型位系数方差及误差阶方差 222 2 00 ; , 21 21 nm nm nn nm nmCS mm nn CS nn 式中 nm C，nm S是n阶m次完全正则化的位系数， nm C ， nm S 分别是相应位系数的方差，用于表示重力场在频 率域中的强度，误差阶方差则可以反映重力场的误 差。 图1中还包括了 SGM100h 的阶方差和误差阶方 差，同时给出了 LP100K 模型作为比较。“嫦娥”一号 卫星的轨道构型对月球重力场长波长信息的提取有 利。得到的 CEGM02模型对 20 阶次以下的部分有改 善，20 阶次以上部分主要来自LP 和“月女神”一号 卫星的贡献。可以看出，对重力场长波段误差而言， SGM100h 和CEGM02 比LP100K有显著改进，融入 “嫦娥”一号跟踪数据对重力场长波段的精度改进也 较为显著。图 2给出了本研究得到的月球参考半径 1738 公里表面的自由空气重力场异常，图中可以清晰 地看到月面典型的质量异常区。 3. 新的质量异常区的认证 月球和行星重力场的异常是其星体表面形状的 起伏和内部物质密度空间异常分布的共同产生的。利 用月球重力场并结合其它约束条件，可以为揭示月球 内部物理特征、探究月球深部构造及层圈形态、研究 早期月球内部物质演化与运动过程提供强有力的证 据。 Copyright © 2013 Hanspub 41  “嫦娥”-1 号探测数据新证认两个月球背面质量瘤区域 Figure 2. Free air gravity of the mo on on the surface of reference radii 1738 km (Unit: mgal) 图2. 月球参考半径1738 公里处球面上的自由空气重力场异常(单 位：毫伽) 通过卫星重力的方法可以得到星球的自由空间 重力场异常分布。如2010 年获得的 SGM100h模型， 以及文献[16]得到的 CEGM-02 模型。进一步地从自由 空间重力场中扣除平均密度条件下地形起伏引起的 重力异常部分，就可以得到布格重力异常。沿用 Wieczorek[2]建议的方法，采用变换了的球谐式和球面 向下延拓滤波计算地形起伏物质的引力效应，获得了 全月球零高程观测面上的布格重力异常数据。为了保 证计算的有效性，根据重力场模型的全球有效范围， 重力和地形模型都截止到了65 阶次。 这里作者使用梁青等人[6]建议的利用布格质量异 常的方法判定“隐形”高密度区域的方法，结合CLTM- s01 月球地形模型和本研究得到的月球重力场模型， 在经过了地形重力异常改正之后得到了月球布格重 力异常的分布。进一步针对黄倩等人[5]证认的月球背 面的撞击盆地和撞击坑进行了研究，通过布格重力异 常的结果，发现其中一个古老的中尺度撞击盆地菲兹 杰拉德-杰克逊盆地与一个明显的质量瘤异常区对应， 根据其地形、地貌和重力特征，可以将其归入 Namiki 等人[4]建议的第二类质量瘤类型。 菲兹杰拉德–杰克逊/Fitzgerald-Jackson盆地位 于菲兹杰拉德撞击坑与杰克逊撞击坑之间，该盆地被 后续的撞击把盆底彻底侵蚀破坏了，从照相的图片上 看不到明显的环形壁的包围，而且从照相数据上几乎 看不到显著的凹陷。图 3(a)给出了由激光测高数据得 到的菲兹杰拉德–杰克逊盆地地形图，它显示出了较 为明显的撞击凹陷特征。该盆地的中心点位于(25˚N， 191˚E)，直径大约为 470 km，深度约−2~4 km。该撞 Figure 3. Topography and gravity of Fitzgerald-Jackson basin: (a) topography; (b) Buoguer gravity anormaly 图3. 菲兹杰拉德–杰克逊盆地地形与重力：(a) 新地形模型得到 的盆地地形；(b) 布格重力异常 击盆地东北边缘被一系列撞击坑所挤压，无法确认原 始盆地的凹陷结构，并且该盆地还存在一定的退化现 象。图 4(b)给出的是利用新地形与重力模型计算得到 的布格重力异常情况。图上表明，该区域与周围存在 着约 300 mgal 的布格重力异常，配合地形数据，可以 较为清晰地证明这个区域是由一个早期的撞击演化 形成的。进一步的类比表明，这个区域的年龄在前酒 海纪或更早一些。 南极区域的阿门德森–甘斯温特/Amundsen- Ganswindt盆地最早是在 1969 年阿波罗时代被提及或 Copyright © 2013 Hanspub 42  “嫦娥”-1 号探测数据新证认两个月球背面质量瘤区域 (a) (b) (c) Figure 4. Amundsen-Ganswindt basin: (a) Image; (b) Topography; (c) Buoguer gravity anormaly 图4. 阿门德森–甘斯温特盆地：(a) 影像图；(b) 嫦娥-1 地形图； (c) 嫦娥-1 布格重力异常 发现。在当时获得的影像中，这里隐隐约约是一个 335 公里直径的区域凹陷的，不能完全确认是一个盆地， 因其位于阿门德森和甘斯温特两个撞击坑之间而得 名。1994 年发射升空的Clementine 探测器得到了这个 区域的新的影像图，在图 4(a)中给出。这时的影像图 由于没有直接的激光高度计数据，仍然无法完全确定 该地区为盆地，该盆地的存在与否一直是一个争议问 题。直到嫦娥-1号发射升空后，顺利地获取了该地区 的地形图，如图 4(b)所示，可以清晰地看到与周围区 域比较，该地区要凹陷3~5 公里，周围被很陡的峭壁 所环绕。利用嫦娥-1 地形数据和重力异常数据，如图 4(c)可以确定该地区的中心位置在东京 122 度、南纬 85 度，直径 335 公里。与历史上早期判定的中心位置 相比较要更靠南4度左右。与菲兹杰拉德–杰克逊盆 地类似，该地区的布格重力异常非常强，达到了 300~ 400 毫伽，是典型的布格重力异常区–质量瘤地区。 历史观测表明，该地区属于比较古老的前酒海纪。 从嫦娥-1 的地形数据和布格重力异常数据可以 清晰地确认上述两个地区是盆地区域，消除了历史上 对后者的不确定性。进一步证明了嫦娥-1 测月学数据 在揭示中尺度月面地形地貌特征方面的独特优势，并 且为发现隐性存在的月面盆地提供了一个新的途径 和方法。 4. 讨论 撞击盆地的地形通常表现为中圆形的凹陷，其典 型的特征包括2重环状结构的存在，即外缘的隆起和 内部环的峰。在月球上存在的直径约 200 公里盆地的 地形多表现出这种环–峰盆地结构。直径更大的撞击 盆地地形可以形成为三重或更多重环结构。在月球 上，环–峰盆地结构盆地大部分的直径超过了 300 公 里，但也有少数的盆地直径较小。由于形成盆地的主 撞击之后发生的数十亿年间发生的后续撞击和空间 环境变化对盆地形貌的破坏和改变，许多直径 300 公 里的盆地目前只保留一个单一的地形环。月球盆地记 录下了太阳系早期制造撞击的小天体的历史和大小 分布特征，以及月球内部壳、上月幔等较浅区域热状 态。月球和行星重力场的异常是其星体表面形状的起 伏和内部物质密度空间异常分布的共同产生的。利用 月球重力场并结合其它约束条件，可以为揭示月球内 部物理特征、探究月球深部构造及圈层形态、研究早 期月球内部物质演化与运动过程提供强有力的证据。 Copyright © 2013 Hanspub 43  “嫦娥”-1 号探测数据新证认两个月球背面质量瘤区域 Copyright © 2013 Hanspub 44 历史上对月球重力场的分析发现，几乎所有的月球盆 地表现出的内部质量显著正异常来源于包括撞击、火 山岩或热扰动、岩石圈弹性支撑在内的组合效应。利 用“嫦娥”-1 月球地形模型，并结合优化的月球自由 空气重力场获得的布格重力异常分布，新证认了曾被 “嫦娥”-1 发现的月球背面中尺度撞击盆地 Fitzgerald- Jackson、以及南极区域的 Amundsen-Ganswindt 是两 个质量瘤异常区。同时也进一步确认了 Amundsen- Ganswindt 盆地的存在，消除了在这个问题上的不确 定性。上述发现证明“嫦娥”-1号月球探测数据在对 月球中尺度结构的探测研究中具有独特的优势，新揭 示的两个地形和地貌上隐蔽的质量瘤异常盆地对研 究月球的壳幔结构和火成演化过程很有意义。这类研 究如果使用未来将公布的GRAIL 卫星重力场模型， 将获得更高精度和空间分辨率的分析结果。 5. 致谢 本文研究得到了中国绕月探测工程一期和二期 任务的支持。月球布格重力异常分析工作得到了陈超 教授的有益的意见和建议，部分工作使用了 IPGP 研 究所发布的 SHTOOL工具软件包进行了比较和确认。 参考文献 (References) [1] Zuber M T, Smith D E, Lemoine F G, et al. 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