空间中心等破解月球冷缩控制下的火山喷发之谜

火山作用是月球最重要的地质活动之一。探索火山作用的过程和机制对阐释月球的演化历史至关重要。通常情况下，早期月球内部热膨胀导致上覆岩石圈受张力发生破裂，而裂隙为岩浆上涌喷发提供了通道，从而形成月表火山及火山地貌。相反，褶皱山脉则是内部冷却体积收缩引起或来自外部横向压力导致的岩石圈挤压变形，从而闭合岩浆通道，不易发生火山喷发。阿波罗月球探测以来，火山喷发与褶皱山脉的成因是月球科学研究的热点，至今依然存在较多争议和未解之谜，其中，压应力环境下的火山喷发机制是未解的谜团。

中国科学院国家空间科学中心行星环境与演化团队带领的国际研究小组，通过分析月球轨道探测器的影像数据，在多个月球大型撞击盆地内部发现30余处火山口位于褶皱山脉上（图1）。该团队分析月球大型撞击盆地形成和演化过程、火山喷发机理并运用比较行星学方法（与地球类比研究），提出了月表冷却收缩压应力环境下的火山喷发机制模型。该模型为月球火山喷发与褶皱山脉共生现象这一未解之谜提供了合理的机制和解释。

探究构造-火山相互作用机制对研究月球外动力（大型撞击事件）和内动力（岩浆作用）耦合作用下的月球（热）演化历史有重要意义。根据目前对月球的认知，月球表面来自月幔的火山喷出岩几乎均分布于大型撞击盆地及周缘凹地内部，这归因于大撞击事件削薄了月壳，加上对月壳的冲击破裂，因此形成了利于岩浆上升并喷发的环境。大型撞击盆地内部填充的火山岩厚度可达几公里，大致沿盆地中心向外逐渐变薄。盆地底部早期撞击熔融物以及上覆火山喷出岩与月壳之间形成了岩性（包括矿物成分和密度），存在明显差异的不连续界面，而目前月球科学界普遍认为，与褶皱山脉形成有关的断层作用其影响范围局限于此界面以上（即盆地底部月壳以上的盆地填充物内），而岩浆储库和源区则位于月幔。因此，褶皱山脉上的火山喷发与月幔源区之间的关联缺少合理的解释。

撞击坑或盆地内部填充火山岩后，在重力和岩石冷却收缩作用下，之后的月幔岩浆很难再发生上涌和喷发。然而，研究发现的位于褶皱山脉上的火山口及喷出物（如图2）则证明了在月壳冷却收缩压应力环境下，褶皱山脉的形成伴随着火山喷发。

基于目前关于月球大型撞击盆地构造演化和火山喷发机制的认识，结合地球类比研究，本研究提出了构造反转模型，可合理解释上述现象与涉及的难题：月球大型撞击盆地往往是多环盆地，是盆地形成初期重力均衡调整的结果，在远离中心的环和最外盆缘之间形成一系列规模不等的高角度月壳断裂或断层（呈现环绕盆地中心分布），且在早期张应力环境下沿断裂面的两侧岩体发生相对运动，称为正断层（图3a、b），而某些正断层可延伸到下月壳；早期火山喷发物填充到盆地内部（图3b暗色部分），之后是后期火山喷发填充（图3b浅灰色部分）；随着时间推进，区域张应力环境转为横向挤压应力主导（图3c），之前存在的正断层被重新激活转为逆向运动，断层面两侧的岩体发生反向运动（类似逆断层），导致月表形成褶皱山脉，这一过程已在地球上某些地质环境下得到研究和验证。同时，调整过程中，逆向断层运动导致上面岩层断裂产生新的断层或张裂隙，进而从月表到月壳内部由断层相连，通道被打通，从而为上月幔的岩浆上升和喷发提供了可利用通道。而低粘滞度的玄武岩浆填充到断层内部，起到润滑剂的作用，进一步促进岩体相对运动。

此类现象易发生于盆地底部存在正断层的区域即盆地环和边缘地带，该研究识别出的30个案列几乎均分布于远离盆地中心的环和边缘区域，且观测结果与模型预测相契合。相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院重点部署项目的支持。

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