几乎整个月球表面都覆盖着一层由岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃等组成的结构松散的风化层，称为月壤。月壤主要由陨石小天体撞击的机械破碎作用形成，并受到太阳风和宇宙射线长期照射、昼夜大幅温差所引起的热胀冷缩等过程持续改造。月壤不仅蕴含着关于月球地质演化的宝贵信息，还记录了内太阳系撞击通量与太阳风辐照历史。因此，对月壤层结构与性质的探测一直是国内外月球探测计划的一个重要科学目标，如我国嫦娥1/2微波辐射计、嫦娥3/4/5/6测月雷达，美国月球轨道侦查器窄角相机（LROC NAC），日本月亮女神多光谱相机（Kaguya MI）等。目前，人们已经获得了关于月壤厚度、分层结构、物理特性、化学成分的基本认识，但是对月壤动态演化过程的相关研究仍较为薄弱。
在月壤形成初期，几乎所有的撞击都能产生月壤，随着月壤增厚，只有少数大型撞击能穿透已有月壤层，产生新的月壤。月壤形成与演化方面一些关键性基础问题有：月壤增长速率随时间是如何变化的？月表小撞击坑数量众多，大撞击坑数量很少，小撞击坑产生的月壤体积很少，大型撞击坑能够产生大量月壤，哪些尺度范围内的撞击主导了月壤的形成？同一地质单元内，月壤厚度的横向变化有多大？受撞击影响，月壤会不断翻转、混合，表面暴露年龄远小于所在单元的地质年龄，不同深度月壤经历了怎样的空间暴露历史？这些问题对估算月球撞击通量、理解月表物质迁移过程、研究月表空间风化速率等具有非常重要的意义，也是近期国际月球探测中亟待解决的关键科学问题。
图1. 月壤时空演化三维模型示意：（a）单个撞击坑形成的月壤；（b）大量撞击驱动的月壤演化过程
地球与空间科学学院法文哲研究员行星遥感团队长期致力于月壤结构与性质研究，针对我国探月工程需求和月球科学关键问题，经过十多年刻苦攻关，在月壤时空演化建模仿真方向取得突破性进展（图1）。研究团队利用近期探月高分辨率数据，建立了多尺度撞击坑高程廓线模型，综合考虑了基岩破碎、溅射沉积、二次成坑、地形退化等地质过程，建立了月壤时空演化三维仿真模型，实现了月壤形成与演化过程的动态模拟。
该方面的主要工作有：
（1）撞击坑高程廓线建模：月球表面分布着数量众多、大小不一、形态各异的撞击坑。撞击坑形貌反映了撞击体与月表的相互作用过程，可用于推测月壤的形成、迁移与分布特征。基于近期探月计划获得的高分辨率月球地形数据，提取了大量新鲜撞击坑高程廓线，建立了米级到百千米量级的月表新鲜撞击坑形状模型（Du et al., JGR, 2019; Cai and Fa, JGR, 2020; Yang et al., GRL, 2021; Li et al., GRL, 2023）。这些形状模型涵盖了碗型、中央峰型、平底型、同心圆型多种形貌（图2），同时纳入了具有尺度依赖的形貌参数，如深度直径比、边缘高度直径比、坑壁坡度等。这些撞击坑廓线组成了月球撞击坑形貌“基础模型库”，在功能上类似于生命科学的基因库，属于领域内基础性支撑工作。该撞击坑模型使得定量研究撞击成坑过程中的月壤厚度分布成为可能，也为撞击坑退化模拟提供了初始条件，同时对月表地形粗糙度研究具有重要意义。
图2. 四种形貌类型小撞击坑廓线提取与建模过程。由上到下依次为：撞击坑光学影像，撞击坑高程分布，撞击坑高程廓线；从左到右依次为：碗型、中央峰型、平底型、同心圆型撞击坑
（2）撞击成壤过程分析：基于撞击坑高程廓线模型和撞击成坑过程，系统分析了单个撞击坑成坑过程中月壤的形成、迁移与分布（图1a; Zhang et al., JGR, 2023a）。在撞击成坑过程中，产生的月壤包括挖掘阶段形成的溅射毯、改造阶段形成的角砾岩，以及部分高速溅射物在二次成坑时挖掘的基岩。新产生月壤的量取决于撞击坑大小与撞击前的月壤厚度，撞击坑大小则由撞击体与靶体物质的性质和撞击条件共同决定。随着撞击坑直径与撞击前月壤厚度的比值降低，撞击过程能够粉碎并挖掘出的基岩体积不断减小，新产生的月壤逐渐减少，称为月壤的自缓冲效应。同时，撞击坑形貌会呈现碗型-同心圆型-平底型-中央峰型-碗型的变化（图3）。
基于撞击坑尺度定律，研究团队首先分析了靶体密度与强度对撞击坑大小的影响。结果表明，对于亚米级和百米级以上的撞击体，基岩强度和密度分别是影响撞击坑大小的主导因素，表层月壤的强度和体积密度对撞击坑大小的影响相对较小。进一步，研究团队从破碎基岩的体积、靶体孔隙率变化、二次坑的贡献这三个方面研究了单个撞击坑形成的月壤体积随撞击坑大小与撞击前月壤厚度的变化规律。在此基础上，结合撞击坑产率函数，建立了一个月壤厚度增长的解析模型，定量描述了月壤增长的自缓冲效应，发现米级到百米尺度的小撞击坑在月壤形成中发挥着主导作用。
图3. 撞击过程形成的月壤随撞击坑大小与撞击前月壤厚度的变化
（3）月壤时空演化三维仿真模型：研究团队综合考虑了陨石撞击、基岩破碎、溅射沉积、月壤迁移、二次成坑、地形退化、空间风化等多种地质过程，构建了月壤时空演化三维模型，以仿真大量撞击事件与空间风化驱动的月壤形成、增长、迁移与熟化过程（图1b； Zhang et al., JGR, 2023b）。基于月球小天体撞击通量和月表靶体性质，模拟月表某一区域的撞击坑产率，也可以直接以遥感观测的待研究区域（如嫦娥6号着陆区）撞击坑大小-频率分布作为输入。对于每个撞击坑，根据撞击坑大小与局部月壤厚度，选取尺度相关的撞击坑形貌类型。通过与高分辨率高程数据比较，优化了撞击坑叠加方法，结合撞击成坑机理，依次模拟瞬时坑与最终坑的形成，将撞击坑添加在月壤-基岩双层介质中，并模拟该过程中月壤的形成与分布。同时，基于扩散模型，采样时域前向差分、空间域中心差分的二维显式数值方法模拟了区域内撞击坑退化过程及其驱动的月壤横向迁移。当月壤颗粒运动至月球表面、暴露于空间环境时，会受到微陨石轰击、太阳风辐照等空间风化过程而逐渐熟化，模型中以三维体素记录不同位置月壤的累积暴露年龄。考虑到月表小撞击坑数量更多，浅表层月壤经历了更加频繁的翻转与混合过程，模型在垂直方向上以等比级数进行剖分，体素分辨率由浅至深逐渐增大，更准确地模拟了小型撞击驱动的月壤耕犁过程。模拟结果（图4、5）对分析月球样品源区、估算月球撞击通量、厘定月球空间风化速率等具有重要意义。
图4. 模型仿真结果示例：表面地形、基岩顶部高程与月壤厚度分布
利用撞击坑产率函数、月震实验与撞击坑形貌法估计的月壤厚度，以及早期研究中的月壤增长模型，研究团队对仿真结果进行了比较验证。模型克服了前人模型中对月壤增长的自限制过程约束较差的问题，给出了在变化的撞击通量与自缓冲效应下月壤增长速率与时间的函数关系，并量化了不同演化时期月壤厚度的横向变化（均方根厚度与自相关长度），揭示了同一地质单元内月壤厚度空间分布的非均匀特征。将月壤演化模型应用于嫦娥5号着陆区，可以为样品中外来物质含量的占比与来源、不同深度月壤的空间暴露历史提供关键约束，进而指导样品的实验室测量与分析，也为后续进一步研究月表空间风化速率与机理奠定了基础（Jia et al., EPSL, 2022; Guo et al., CEE, 2024; Zhang et al., AGU Fall Meeting Abstracts, 2023）。
图5. 不同年龄的月壤-基岩分层剖面图
月壤时空演化建模的研究成果以两篇系列文章的形式发表于行星科学国际主流期刊JGR-Planets，北京大学地空学院博士生张洺玮为论文的第一作者，法文哲为通讯作者，英国杜伦大学Vincent R. Eke教授与研究生Emily M. Barnard参与了模型构建与结果分析。相关研究结果在2023年美国地球物理学会（AGU）年会与2024年全国行星科学大会上分别作了口头报告，并获得了2024年全国行星科学大会优秀论文奖。本研究项目受到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国科学院先导专项等项目的资助。
相关论文：
月壤时空演化模型：
• Mingwei Zhang, Wenzhe Fa, & Vincent R. Eke. （2023）Modeling the evolution of lunar regolith: 1. Formation mechanism through individual simple impact craters. Journal of Geophysical Research: Planets, 128, e2023JE007850. doi: 10.1029/2023JE007850.
• Mingwei Zhang, Wenzhe Fa, Emily M. Barnard, & Vincent R. Eke.（2023）Modeling the evolution of lunar regolith: 2. Growth rate and spatial distribution. Journal of Geophysical Research: Planets, 128, e2023JE008035. doi: 10.1029/2023JE008035.
撞击坑形貌建模：
• Jun Du, Wenzhe Fa, Mark A. Wieczorek, MinggangXie, Yuzhen Cai, & Menghua Zhu. （2019）Thickness of lunar mare basalts: New results based on modeling the degradation of partially buried craters. Journal of Geophysical Research: Planets, 124, 2018JE005872. doi: 10.1029/2018JE005872.
• Yuzhen Cai, & Wenzhe Fa. （2020）Meter-scale topographic roughness of the Moon: The effect of small impact craters. Journal of Geophysical Research: Planets, 125, e2020JE006429. doi: 10.1029/2020JE006429.
• Xi Yang, Wenzhe Fa, Du Jun, MinggangXie, & Tiantian Liu. （2021）Effect of topographic degradation on small lunar craters: Implications for regolith thickness estimation. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL095537. doi: 10.1029/2021GL095537.
• YueyangLi,Wenzhe Fa, & Bojun Jia.（2023）. Morphological characterization of decimeter- to hectometer-scale impact craters at the chang’E-3/4/5 landing sites. Journal of Geophysical Research: Planets, 128, e2022JE007703. doi: 10.1029/2022JE007703.
月壤演化模型应用：
• Bojun Jia, Wenzhe Fa, Mingwei Zhang, Kaichang Di, MinggangXie, Yushan Tai, & Yang Li. （2022）On the provenance of the Chang’E-5 lunar samples. Earth and Planetary Science Letters, 596, 117791. doi:10.1016/j.epsl.2022.117791.
• Zhuang Guo, Mingwei Zhang, Bojun Jia, Yang Li, Wenzhe Fa, Yong Pang, Chenxi Zhu, Yuanyun Wen, Xiongyao Li, Jianzhong Liu, & Ziyuan Ouyang.（2024）Space-weathered rims on lunar ilmenite as an indicator for relative exposure ages of regolith. Communications Earth & Environment, 5, 426. doi:10.1038/s43247-024-01590-6.
• Mingwei Zhang, Bojun Jia, Vincent R. Eke & Wenzhe Fa.（2023）The provenance and maturity of the Chang’E-5 samples based on remote sensing observations and regolith evolution modeling. AGU Fall Meeting Abstracts. P22A-07.
信息来源： 地球与空间科学学院
