基于月震层析成像的月球正面内部结构研究

发布时间：2017-04-26 23:12

  本文关键词：基于月震层析成像的月球正面内部结构研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：月球内部研究是当今比较行星学研究的热点问题,也是研究行星起源与演化需要解决的重大科学问题之一。月球的内部构造不仅对研究月球起源和演化有重要意义,而且对月球探测器飞行的轨道控制、月球着陆器的着陆区选择有重要的影响。以往的研究认为月球有着与地球类似的内部分层结构,也分为月壳、月幔和月核,但它是一个内部活动接近停息的星体,其内部的能量已经衰竭。事实上,月核与地核结构类似,也分为液态的外核和固态的内核,而月幔下部处于部分熔融状态,且熔融部分不断受地球潮汐的加热作用,使其内部产生构造活动,这表明月球内部依然存在热动力过程。月球内部结构的研究是月球研究的热点问题,此工作可以帮助揭示月球内部物质相态、分异过程、热作用与演化过程,可以为探索月球的形成及演化提供科学依据。另外,类似于地球,月球内部结构的变化也必然影响月球地貌和物质分布,这将有助于我们理解月表盆地、山脉、高原的形成,以及月球正、背面地形的二分性。月球内部结构的研究主要基于月表或外部空间进行的地球物理观测。为了研究月球的内部结构,美、日等国的探月计划采用了多种探测方法对月球内部结构进行了探测,包括月震、重力、电磁和热流等方法。最新的对月球浅部结构的观测是嫦娥三号测月雷达方法,可以获得月球次表层达几百米的内部结构信息。在这些探测方法中,月震探测被普遍认为是研究月球内部大尺度结构的最佳手段。这是由于月震波具有很强的穿透力,可以携带深达月核的信息。另外,月震波速对月球内部温度、压力和矿物成分变化非常敏感,可以被用来有效地推断月球内部物质的物理和化学性质。迄今为止,通过Apollo月震实验,人们认识到月球内部大致分为月壳、月幔和月核,并推测了各圈层的物质成分,并于2008年首次对月球内部速度结构进行了层析成像。尽管如此,科学家们对月球圈层的划分还比较粗略,且由于月震及台站数量的限制,早期研究仅获得了月球内部的一维速度结构,而近期获得的三维速度结构也不够精细。因此,本论文旨在选用更多的地震事件进行震源定位,基于新近月球内部速度模型,采用层析成像方法,获得比前人精细的月球内部速度结构,分析月壳及月幔的横向不均匀性,回答克里普岩分布,月幔中是否存在低速带或明显的速度间断面等问题。论文利用Geiger定位方法对200多个月震进行了震源定位,对月震的分布及发震机制进行了分析,并与地震进行了对比。基于定位结果,论文采用波前快速推进正演方法及子空间反演方法对月球正面进行了月震层析成像,获得了月球内部三维速度结构。根据成像结果,作者对月球正面的克里普、质量瘤、及月球内部速度模型进行了分析。基于月震定位及层析成像结果,论文得出了以下几点结果与认识：(1)本文采用新近的月球速度模型,定位结果相比与前人的定位结果精度有明显提高,说明本文采用的速度模型精细程度更高；在前人识别的深源月震中,可能仅有3个深源月震位于月球背面。(2)虽然月球内部速度结构总体上是随深度的增大而增大,但其在横向和纵向上均出现了明显的速度变化,这表明月球内部物质存在明显的不均匀性。月壳的P波速度偏低,上月幔速度偏高,中月幔的速度偏低,下月幔的速度偏高,即在速度整体增大的趋势上出现了中月幔的速度减小。与P波类似,月壳的S波速度主要表现为低速,上月幔中也出现了速度偏高,中月幔虽然也出现了低速,但低速区与高速区交替,低速区没有P波的范围大,下月幔中高速范围较小,表现出大片的低速。(3)P、S波在月壳中的低速区均集中于月球正面的风暴洋区域,其深度可以延伸到月表以下约200km。由20km的深度切片及成像剖面图可以看出,此低速区域与风暴洋克里普岩地层的分布较为一致,且Th含量较高的地层表现出了更明显的低速异常。这可能说明产热元素Th造成风暴洋克里普岩单元的热流值要高于周围月壳或月幔地层的热流值,从而使得此区域出现了低速异常。(4)层析结果还显示出,在雨海和澄海均对应有高速异常,但没有发现对应此异常的高速通道,对此论文给出了以下解释：1)可能是由于月球浅部,尤其是月海和澄海区域的震源参数较少,无法成像得到高速通道；2)也可能说明雨海和澄海的质量瘤不是由下部物质隆起填充造成,可能是由于外部撞击物的填充造成；3)月海和澄海质量瘤是由下部物质隆起填充造成,但随着后期的地质演化,使得上升通道闭合。但值得肯定的是,仅用目前少量的浅部震源获得高分辨率的质量瘤成像结果是不够的,还需获得更多的浅部震源。(5)论文从层析结果中提取了一维平均速度模型,以及典型位置的速度模型。通过对比,平均速度模型与输入速度模型相似,即与Garcia在2011年发布的速度模型一致,但在典型位置提取的一维速度模型却表现出了明显的速度变化。另外,根据层析结果及提取的一维速度模型,说明速度间断面并没有全球出现,而是只出现在局部区域。(6)基于论文的工作认识到：1)月球内部结构存在明显的不均匀性,月壳及上月幔中的不均匀性可能是由于演化过程中的撞击作用、岩浆活动等原因造成,而月幔中的不均匀性可能是由于月幔物质倒转造成；2)风暴洋克里普岩地层明显的低速异常,可能说明月球上的放射性元素仍具有一定的产热作用,造成了风暴洋玄武岩和高地岩石的温度差异；3)虽然月球与地球的内部圈层结构类似,但对比于月球与地球的速度模型发现,月球有其独特之处。根据月球的成像结果及前人的一维速度模型,均没有发现类似于地球上地幔的强低速带,表明月球内部可能没有软流圈,这可能说明月球内部的放射性元素的丰度不足,或产生的热能及温压条件不能使月幔物质熔融。由于月震台站及月震数据量的限制,导致目前的月震层析成像工作还存在一些问题需要继续完善及解决：(1)月震层析成像结果分辨率较低,未来需要增加更多的月震到时数据,或者考虑利用多种震相进行层析成像；(2)由于浅部震源的数量较少,造成月震浅部结构成像结果的分辨率相对更低,今后可利用月震事件的尾波信息,进行面波对浅部地层的研究；(3)目前采用P、S波单独反演,可以考虑以后采用P、S波联合反演,或者震源与速度联合反演；论文共分为八章。第一章简要介绍了研究背景及主要研究内容；第二章详细介绍了月球正面的地形地貌和内部结构,以及月球内部的圈层划分,各层的厚度及物质成分,月球的演化历史等；第三章分析了月震信号特征,并阐述了月震事件的分类方法；第四章为月震记录的震相识别；第五章描述了震源定位方法及层析成像的原理；第六章主要是月震事件的定位,并对月震和地震的分布及发震机制进行了对比分析；第七章是本论文的重点,主要是月球正面内部结构的层析成像,并综合地质与地球物理信息,对成像结果进行了的地质解释；第八章是最后一章,总结了论文的主要工作及成果。
【关键词】：月球 月震 震源定位 层析成像 内部结构
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P184
【目录】：

• 作者简介5-7
• 摘要7-10
• ABSTRACT10-15
• 第一章 绪论15-25
• §1.1 研究背景、目的和意义15-16
• §1.2 月球概述16
• §1.3 研究现状16-22
• 1.3.1 月震及月震定位17-19
• 1.3.2 月球内部结构19-22
• 1.3.3 月震层析成像22
• §1.4 存在的主要问题22
• §1.5 研究内容和方法22-23
• §1.6 论文主要成果与创新之处23-24
• §1.7 论文的组织结构24-25
• 第二章 研究区概况25-30
• §2.1 月表地形地貌25
• §2.2 月壳25-26
• §2.3 月幔26-27
• §2.4 月幔底部部分熔融区27
• §2.5 月幔中的速度间断面27-28
• §2.6 本章小结28-30
• 第三章 月震数据30-38
• §3.1 数据格式30-33
• §3.2 数据选取33
• §3.3 月震信号特征33-34
• §3.4 本章小结34-38
• 第四章 震相识别38-48
• §4.1 震相识别方法38-42
• 4.1.1 单台识别38
• 4.1.2 多台震相识别38-39
• 4.1.3 极化分析法39-40
• 4.1.4 STA/LTA算法40-42
• §4.2 震相识别结果42-47
• §4.3 本章小结47-48
• 第五章 震源定位及层析成像原理48-60
• §5.1 震源定位48-50
• §5.2 层析成像原理50-59
• 5.2.1 波前快速推进算法51-55
• 5.2.2 子空间反演算法55-59
• §5.3 本章小结59-60
• 第六章 月震定位结果及其与地震的对比60-73
• §6.1 速度模型选取60-61
• §6.2 月震定位结果61-69
• §6.3 算法验证69-70
• §6.4 月震与地震的对比70-72
• §6.5 本章小结72-73
• 第七章 层析成像与月球正面内部结构73-97
• §7.1 事件选取73-76
• §7.2 速度模型及网格化76-80
• §7.3 速度层析成像80-83
• §7.4 算法验证83-85
• §7.5 月震层析成像解释85-96
• 7.5.1 月球内部速度结构85
• 7.5.2 泊松比85-87
• 7.5.3 克里普岩与速度结构的关系87-89
• 7.5.4 质量瘤与速度结构的关系89-91
• 7.5.5 速度模型的比较91-94
• 7.5.6 中月幔低速层94-95
• 7.5.7 有关月球内部结构的新认识95-96
• §7.6 本章小结96-97
• 第八章 结论认识与展望97-99
• §8.1 结论与认识97-98
• §8.2 问题与展望98-99
• 致谢99-100
• 参考文献100-108

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