Geological and evolutionary characteristics of the Gagarin Region on the far side of the Moon
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摘要: 以月球背面加加林地区为研究对象，采用多源遥感数据解译，通过地质要素定量统计、分布特征与成因分析等研究方法，揭示了月球背面典型区域的地质特征，进而探讨了加加林地区区域地质演化历史，初步建立了该区地质特征与月球演化过程之间的联系。 研究结果表明：区内发育的全月最长深部断裂的形成为南极艾肯撞击事件与月球热膨胀等内外应力共同作用的结果；自南极−艾肯盆地向外延伸的多处月壳厚度的线性异常延伸至月球正面各大盆地，说明在月球深部，月球背面南极−艾肯盆地的影响范围可以辐射到月球正面单元；月球背面加加林地区撞击坑数量与面积的变化规律与月球所处的地月系及太阳系演化进程有关；撞击坑定量统计结果及玄武岩单元定年结果表明，艾肯纪至雨海纪是加加林地区外动力地质作用的活跃时期，雨海纪是其内动力地质作用的活跃时期。Abstract:
Objective This study focuses on the Gagarin region on the far side of the Moon, aiming to reveal the geological characteristics, distribution features, and genesis of typical areas on the lunar far side. Additionally, it seeks to explore the regional geological evolution history of the Gagarin region. Methods The study primarily employs methods such as multi-source remote sensing data interpretation, regional geological mapping, and quantitative analysis of geological elements' quantity and distribution characteristics. Results (1) 656 impact craters were discovered in the study area, of which 552 have diameters greater than 20 kilometers. Approximately 71.5% of the Gagarin region is covered by ancient basins and their ejecta from the Aitken period. Based on comprehensive area and diameter data, the Aitken period is identified as the geological era with the largest proportion of large impact craters (diameter greater than 70 kilometers) and the largest average diameter. From the Aitken period to the Copernican period, the total area of impact craters in each geological era shows a decreasing trend from old to new. (2) In the study area, six parallel lunar grabens, 62 lobate scarps, one sinuous rille , 50 crater floor fractures, and 70 shallow faults were discovered. It also includes parts of the two longest inferred deep faults on the Moon, originating from the South Pole–Aitken tectonic zone and almost spanning the entire highland tectonic zone. According to Bouguer gravity anomalies and crustal thickness data, linear crustal thickness anomalies extending outward from the South Pole–Aitken basin reach the major basins on the near side of the Moon. (3) The Gagarin region is primarily located in the anorthositic highlands on the far side of the Moon. The rocks mainly consist of ferroan anorthosite (fa) suites, with some crater floors showing magnesium anorthosite (ma) suites. In the central and southern parts of the Gagarin region, low-titanium (TiO2 > 1.5 and < 4.5) and very low-titanium (TiO2 < 1.5) basalts are sparsely distributed on the floors of certain impact craters and basins. (4) For this study, we selected impact craters such as Aitken and Van der Graaf, with diameters ranging from 350 to 1400 m, for dating analysis. The results of crater size-frequency distribution dating indicate ages of 3.47 GA and 3.32 GA, respectively. (5) The quantitative statistics of impact craters and the dating results of basalt units indicate that the Aitkenian to Imbrian periods were active periods of external dynamic geological processes in the Gagarin region, while the Imbrian period was an active period of internal dynamic geological processes. Conclusion (1) The region’s longest and deepest faults are the result of the combined effects of the South Pole–Aitken impact event and internal and external stresses, including lunar thermal expansion. (2) The variations in the number and size of impact craters in the Gagarin region on the far side of the Moon are related to the evolution of the Earth–Moon system and the solar system. (3) Based on the quantitative statistical results of impact craters and the dating results of basalt units, this study elucidates the regional geological evolution history, and different stages of the geological processes in the Gagarin region were divided according to the active periods and stage characteristics of internal and external dynamic geological processes. Significance The study revealed the geological features of key areas on the far side of the moon, delving into the geological history of the Gagarin region and tentatively establishing a correlation between its geological traits and the lunar evolutionary history. -
Key words:
- Lunar geology /
- Gagarin Basin /
- multi-source remote sensing data /
- geological evolution
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0. 引言
月球科学研究是中国科技战略的重要组成部分，也是深空探测研究的起点。自Apollo探月任务实施以来，各国多次发射探测器，在月球化学组成、表面年龄、月壤特征等多个研究领域取得了大量数据与科研成果（Stöffler and Ryder，2006 ；欧阳自远，2005）。美国地质调查局（USGS）最早于1962年编制了哥白尼区域影像图，至1979年编制了覆盖全月球共计79幅的月球地质图（Ambrose and Williams，2011）。2013年中国基于嫦娥探月工程数据正式编制出版了第一幅1:250万月球地质图（虹湾幅，LQ-4；韩坤英等，2012）。随着近年来航空航天技术的不断创新发展，中国取得了一系列高分辨率、高覆盖范围的探月数据，为开展月球地质研究，尤其是月球背面地质特征与演化规律研究提供了条件（王梁等，2015a，2015b；籍进柱等，2022）。
加加林地区位于月球背面南极−艾肯构造区与高地构造区2个重要构造分区交界处（刘建忠等，2015），受研究条件限制，目前对该区的研究极为稀少，该区域的岩石特征、构造形迹特征、地质演化历史等一直模糊不清。文章通过多源高分辨率遥感数据解译，对加加林地区主要地质要素进行定量统计、分布特征描述与成因分析，探讨了加加林地区区域地质演化历史；初步建立了该区地质特征与月球演化过程之间的联系，可为中国月球背面基础地质研究及全月地质编图工作提供借鉴和基础资料。
1. 研究区范围与地质概况
月球背面加加林盆地位于全月球1∶250万地质图分幅的加加林幅（LQ-23）范围内，加加林幅月球地质图的经纬度范围为东经135°—180°，南纬0°—30°（图1），全部位于南半球中低纬区域，总面积约为124×104 km2。构造上属于南极−艾肯构造区（SPAU）与月球背面高地构造区（HTU）交界区域，自东南向西北整体表现出海拔大幅增高的趋势，高程范围为−6653~7455 m，高差达14108 m（图2），是典型的月球高地区。区内主要包括加加林盆地（Gagarin）、基勒西盆地（Keeler West）、智海盆地（Mare Ingenii）、南极−艾肯盆地（South Pole-Aitken）北部边缘等大型撞击盆地，以及伊萨耶夫（Isaev）、艾肯（Aitken）、费尔特拉格特（Felragut）、巴浦洛夫（Papvlov）、范德格拉夫（Van de Graaff）、恰普雷金（Chaplygin）、基勒（Keeler）、亥维赛（Heaviside）等大型撞击坑。岩性主要为亚铁斜长岩，镁质斜长岩呈零散分布，南部区域有少量低钛玄武岩和极低钛玄武岩零星分布；构造总体以环形构造为主，线性构造呈零散分布。
图 1 1∶250万月球地质图分幅及加加林地区位置示意图（底图为CE-1 CCD影像数据，分辨率为120 m；数据来源月球与行星数据发布系统https://moon.bao.ac.cn/ ；图中经纬度注记中无负号代表东经经度和北纬纬度，有负号为西经经度和南纬纬度，如−30°代指南纬30°，150°代表东经150°，下同）Figure 1. The map sheet of the 1∶2500000 geological map of the moon and the position of the Gagarin region (Base map is CE-1 CCD image data, with a resolution of 120 m; data source: Moon and Planetary Data System https://moon.bao.ac.cn/; In the latitude and longitude annotation in the figure, no negative sign represents north latitude, and a negative sign represents south latitude, such as –30° indicating 30° south latitude, the same below.)
图 2 加加林地区地貌示意图（底图为LOLA高程数据；数据来源NASA官网https://disc.gsfc.nasa.gov/ ）Figure 2. Topographic schematic map of the Gagarin region (Base map is LOLA elevation data; data source: NASA official webbsitehttps://disc.gsfc.nasa.gov/ )2. 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
文中综合利用国内外高分辨率、高覆盖范围的探月数据及科研成果，以ArcGIS为主要平台开展加加林地区地质及演化特征分析，主要应用中国嫦娥工程系列数据CE-1 CCD影像数据、CE-2 CCD 影像数据、CE-1 激光高度计数据，以及LROC宽视角影像数据（LROC WAC；Robinson et al.，2010）、LOLA激光高度计数据等进行月表撞击成因要素的识别（Haruyama et al.，2008）；使用嫦娥重力数据、GRAIL布格重力数据进行月球深部构造要素的解译（Konopliv et al.，2013）；LDRM月表粗糙度数据（田粉粉等，2018）用于盆地建造识别；CE-1干涉成像光谱仪（IIM）数据、Clementine UVVIS数据（Lucey et al.，2000a，2000b）用于反演FeO、TiO2等元素含量与划分岩石类型；通过综合利用多源数据与已有月球研究成果，确保分析结果的精确性和全面性。其中嫦娥探月工程系列数据可在月球与行星数据发布系统（
https://moon.bao.ac.cn/ ）中获取；LRO与LOLA系列数据可在NASA官网（https://disc.gsfc.nasa.gov/ ）获取；Clementine系列数据可在USGS官网（https://astrogeology.usgs.gov/ ）获取。2.2 研究方法
2.2.1 月球岩石划分与识别方法
此次月球岩石划分主要针对内动力地质作用形成的岩石，采用的基本划分和识别流程如下：①参考国内外现有月球岩石分类方案，以元素、矿物成分为主要依据划分月球岩石类型；②根据多源遥感光谱、能谱数据，建立模型反演岩石化学元素含量；③基于元素反演结果，建立了一套兼顾样品、陨石与遥感研究，且能反映月球岩浆演化序列的岩石分类体系。该分类体系将月表岩石类型划分为非月海岩石、月海岩石与其他特殊岩石3大类与17个小类，并基于各类型岩石的元素含量特征划定了判别指标（Jolliff et al.，2000；凌宗成等，2013，2014）。
2.2.2 月球构造划分与识别方法
主要依据各类构造在多源遥感数据中的特征制定构造解译规则。但由于月球环境的复杂性，构造的解译需综合考虑该构造所在区域内岩石、形貌、其他构造分布等多方面特征信息，通过目视解译方法进行综合判别。其中，外动力成因构造的解译主要基于形貌特征，利用高分辨率影像、高程、坡度、粗糙度等数据，根据目标构造的形态、大小、色调、位置和纹理等信息综合判断类别（陈建平等，2014；许可娟等，2020）。内动力构造的解译主要使用GRAIL重力数据及重力数据进一步处理得到的布格重力异常、布格重力梯度等数据，如深部断裂以重力梯度数据中细长、负梯度的线状异常特征为解译依据（王庆龙等，2018；陆天启等，2019）。
3. 年代学测定与划分方案
在无法大量实地采样的前提下，如何确定月表各单元的绝对年龄与相对年龄，相关学者已经进行了许多尝试（Wilhelms et al.，1987；Hiesinger et al.，2000，2010；Hiesinger，2003；Haruyama et al.，2009）。其中被应用最广泛的是撞击坑大小−频率分布定年法（Crater Size-frequency distribution，CSFD；Crater Analysis Techniques Working Group，1979），这一方法的主要原理为：同一个天体表面，原始撞击坑的密度与区域的年龄呈正相关，撞击坑在月表随机分布与撞击坑被破坏的速度远小于新撞击坑形成的速度（郭弟均等，2014）。在建立撞击坑大小−频数分布模式的基础上，结合月球表面样品的绝对年龄，在撞击坑的密度和地质单元的绝对年龄之间建立定量关系，从而推测其他未采样地质单元的绝对年龄（岳宗玉等，2021）。随着各国不断采样获取新的同位素年龄，用于拟合的年代曲线也在不断改进与更新（Hartmann and Neukum，2001 ；Haruyama et al.，2008） 。文中利用该方法对研究区域内各主要玄武岩单元进行定年：在ArcGIS中使用CraterTools划定统计单元的范围，并将用于定年的小型撞击坑绘制为形态均匀的单位，从而获取相应直径与数量的关系；再利用craterstats2进行年龄拟合。为使定年结果更精确，通过目视解译将可识别的二次坑排除在计数区域之外，最终选取了直径在350～1400 m的艾肯、范德格拉夫等撞击坑用于定年分析（图3）。定年结果（3.47 Ga、3.32 Ga）与Pasckert et al.（2018）取得的定年结果较为吻合。
在时代划分方案方面，利用了中国月球地质演化历史研究的最新成果−“三宙六纪”的地质年代划分方案（图4；郭弟均等，2014；王梁等，2015a）。这一方案在Wilhelms et al.（1987）制定的“五分”年代划分方案的基础上，将前雨海纪以南极−艾肯盆地撞击事件作为分界点划分为岩浆洋纪与艾肯纪，强调了南极−艾肯盆地作为月球最大、最深、最古老的撞击盆地对于月球演化的动力学进程的意义，同时使月球年代划分方案反映了月球内、外动力作用在不同时期主导地位的转变，更加符合月球动力学演化过程。
图 4 月球地质年代划分方案（据郭弟均等，2014；凌宗成等，2014修改）Figure 4. Geologic chronology of the moon (modified after Guo et al., 2014; Ling et al., 2014 )基于以上月球地质年代划分方案及岩石、构造解译方法和研究结果，应用ArcGIS与MapGIS平台，进行图例设计并编制1∶250万月球加加林盆地及邻区区域地质图（图5）。在此基础上，开展加加林地区区域地质及演化历史分析。
4. 地质特征解译
4.1 撞击坑与撞击盆地
撞击坑与撞击盆地是由陨石撞击作用在月表形成的环形构造。在撞击坑形成过程中大部分能量以冲击波的形式转化为溅射物的动能，坑的直径一般小于200 km；而撞击盆地的形成过程中大部分能量转化为深部的熔融物和蒸发物的能量，盆地会出现明显的重力异常或呈一定规模的中央熔融物，直径一般大于200 km（欧阳自远，2005；Stöffler et al.，2006；姚美娟等，2016）。文中系统统计了撞击坑与撞击盆地的数量、直径，从而获得了研究区域内撞击事件发生的频度与强度；通过研究观察撞击坑在影像上的形状、颜色、粗糙程度等，初步确定撞击坑的新老关系和变化程度。在研究区共解译出撞击坑656个，包括直径大于20 km的撞击坑552个，直径较小的撞击坑104个。各年代撞击坑直径与数量见表1。
表 1 研究区撞击坑直径和数量Table 1. Craters' diameters and numbers in the study area直径/km 不同地质年代撞击坑的数量/个 艾肯纪 酒海纪 雨海纪 爱拉托逊纪 哥白尼纪 年代未确定 总计 <15 14 33 95 12 7 53 214 <35 39 51 60 16 1 36 203 <70 43 25 14 4 0 0 86 >70且<200 31 13 5 0 0 0 49 总计 127 122 174 32 8 89 552 从撞击坑数量上看，雨海纪是加加林地区撞击事件发生最频繁的时期，识别出撞击坑174个，艾肯纪、酒海纪次之。仅艾肯纪、酒海纪、雨海纪发生过撞击坑直径大于70 km的大型撞击事件。研究区内撞击坑数量与直径呈现出负相关关系，与全月撞击坑数量统计结果相吻合（王娇等，2015）。
加加林地区约有71.5%面积被艾肯纪的古老盆地及其溅射物覆盖，60%为南极−艾肯盆地东缘的部分区域。另外还有2个形成于艾肯纪的盆地，分别为直径约256 km的峰环盆地−加加林（Gagarin）盆地与直径230 km的单环盆地−基勒西（Keeler West）盆地。由于后续撞击事件作用，2个盆地的盆底、盆壁和盆缘建造均有不同程度的破坏，尤其是基勒西盆地受到后期撞击作用的剧烈改造，退化严重。从叠置关系来看，艾肯纪撞击盆地形成时间均早于同时代撞击坑。
4.2 岩石类型与分布特征
加加林地区主要位于月背斜长石高地区域，岩石类型为相对单一的非月海岩石，大多为亚铁斜长岩套（fa），部分撞击坑底部出露镁质斜长岩套（ma）（图6）。斜长岩是月壳的主要成分（Jolliff et al.，2000），其成因与月球早期的形成直接相关（Ohtake et al.，2009 ；Xu et al.，2020）。已有模型认为，斜长岩在岩浆洋中结晶分异形成原始月壳后（Dowty et al.，1974），部分斜长岩受到了月幔部分熔融产生的熔体及KREEP熔体的交代作用。其中KREEP交代的斜长岩富稀土元素，而月幔熔体交代形成的镁铁质矿物Mg#较高，则形成镁质斜长岩套（Xu et al.，2020）。
加加林地区中部及南部地区部分撞击坑（艾肯、伊萨耶夫、范德格拉夫、霍勒切克R、泽林斯基等）坑底和盆地（智海）的盆底区域有少量低钛玄武岩（1.5<TiO2<4.5）与极低钛玄武岩（TiO2<1.5）分布，仅占全区面积的0.7%。加加林地区较大的月壳厚度是使岩浆无法冲出地表，形成月海玄武岩的重要原因之一。根据月海玄武岩单元的撞击坑统计定年结果，研究区内月海玄武岩的形成集中在3.5 ~ 3.2 Ga（图6），属于晚雨海世，与全月大规模玄武岩充填时期相吻合。区域内纯斜长岩分布较为广泛，主要位于基勒撞击坑与艾肯撞击坑内，在巴甫洛夫等撞击坑内也有分布。
此外，在加加林地区的东南部地区，范德格拉夫（Van de Graaff）撞击坑以东约60000 km2的三角形范围内，发育有亚铁苏长岩（fn），其化学成分偏亚铁质（FeO > 10，Mg# ≤ 71），富含低钙辉石矿物。推测因其位于南极−艾肯构造区，更接近于南极−艾肯盆地底部，因而出露了更富镁铁质的原始非月海岩石，可能源于月壳深部，或具有幔源超镁铁质初始成分的撞击熔融席分异物质。
4.3 构造形迹特征
根据构造形迹的特征及成因，将构造分为内动力地质作用成因与外动力地质作用成因2种类型。
4.3.1 内动力成因构造
研究区内解译出内动力成因的构造主要有月堑、月溪、坑底断裂等线性构造和火山口等环形构造。其中内动力成因构造最集中的区域为艾肯撞击坑及周缘地区，发育有皱脊、叶状陡坎、浅层线性断裂与推测深部断裂。
区内解译出6条平行分布的月堑，均位于范德格拉夫（Van de Graaff）撞击坑西北部，为北北东和北东走向。月堑形成于晚雨海世，月堑地形剖面呈“U”字型（图7a—7c），在影像上表现出边界清晰、轻微弯曲、两侧相对平行的特征。该组月堑均以智海盆地为中心呈放射状分布，成因与撞击事件发生后盆地边缘的伸展、张力应力环境及后续断裂错动有关。
图 7 加加林地区月堑、叶状陡坎解译结果a—部分月堑分布位置（底图为 WAC 影像，其中AA′为月堑剖面线，箭头指示月堑位置）；b—对应区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加，箭头指示月堑位置）；c—AA′剖面线对应地形剖面；d—部分叶状陡坎分布位置（底图为WAC 影像，其中BB′为叶状陡坎剖面线，箭头指示叶状陡坎位置）；e—叶状陡坎分布区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加，箭头指示叶状陡坎位置）；f—BB′剖面线对应地形剖面Figure 7. Interpretation results of lunar grabens and lobate scarps in the Gagarin region(a) Partial distribution map of lunar grabens (Base map is WAC image, where AA′ represents the section line of lunar grabens, with arrows indicating the position of lunar grabens); (b) Elevation map of the corresponding region (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data); (c) Topographic section corresponding to the section line AA′; (d) Partial distribution map of lobate scarps (Base map is WAC image, where BB′ represents the section line of lobate scarps, with arrows indicating the position of lobate scarps); (e) Elevation map of the lobate scarp distribution area (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data, with arrows indicating the position of lobate scarps); (f) Topographic section corresponding to the section line BB′叶状陡坎为小规模的线状构造，研究区内共解译出62条叶状陡坎，长度大多在2 km以内。位置上集中分布在研究区东北侧180°经线附近，呈北北东走向。在遥感影像上，叶状陡坎通常表现出叶状、单侧的结构，其地形剖面通常表现出一侧较为陡峭，另一侧相对平缓的特征（图7d—7f），可以通过坡度图进行识别（陆天启，2020）。
在智海（Ingenii）盆地与盆壁交界处识别出一处月溪（图8），长度约为57 km。月溪主要解译依据为高程图中负地形的细长线型凹槽。月溪常发育在玄武岩区域，常与火山口相伴生，是月球火山运动的直接证据。研究区共解译出50处坑底断裂，分布于4个撞击坑、撞击盆地内，主要在坑底、盆底处呈同心圆状分布。坑底断裂属于张性断裂，剖面表现为明显的“V”型特征（图8a—8c）。与同样发育于盆底的负地形构造月溪相比，坑底断裂表现出更近于直线的形貌特征（图8d—df），且常常在同一撞击坑内发育多条。
图 8 加加林地区月溪、坑底断裂解译结果a—研究区内部分月溪分布位置（底图为 WAC 影像，其中CC'为月溪剖面线，箭头指示月溪位置）；b—对应区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加）；c—CC'剖面线对应地形剖面；d—部分坑底断裂分布位置（底图为 WAC 影像，其中DD'为坑底断裂剖面线）；e—坑底断裂分布区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加）；f—DD'剖面线对应地形剖面Figure 8. Interpretation results of sinuous rilles and crater-floor fractures in the Gagarin map(a) Partial distribution map of the sinuous rille (Base map is WAC image, where CC′ represents the section line of the sinuous rille, with arrows indicating the position of the sinuous rille); (b) Elevation map of the corresponding region (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data); (c) Topographic section corresponding to the section line CC'; (d) Partial distribution map of crater-floor fractures (Base map is WAC image, where DD′ represents the section line of crater-floor fractures); (e) Elevation map of the crater-floor fracture distribution area (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data); (f) Topographic section corresponding to the section line DD'浅层断裂是具有明显位移特征的线状构造。研究区浅层断裂广泛发育，约70条，其中扭性断层46条，压扭性断层9条，张扭性断层6条。长度在10～146 km不等，但大多在60 km以下。根据位置与走向特征可分为3组：南北、北东走向的2组断裂垂直于智海盆地放射状向外延伸，北西走向的1组主要位于加加林盆地与基勒西盆地西侧，延伸方向与盆地相切。月球浅层断裂主要根据遥感影像上的色调异常特征来识别，同时结合地形剖面是否有位移特征来进一步确认（罗林等，2017；陆天启，2020 ）。
研究区深部断裂发育规模较大。由于重力数据不受风化等外界条件改变的影响，是研究月球早期地质演化历史与应力变化的重要依据（Andrews-Hanna and Jeffrey，2013）。根据GRAIL重力数据，基于月球布格重力梯度数据中的细长的、负梯度的线状异常特征与重力梯度剖面上的“力数字型特征解译出月球深部断裂（陆天启等，2019）。除重力梯度数据，从布格重力异常与月壳厚度图（图9）中也可以明显观察到以南极−艾肯盆地为中心向外延伸的多处线状异常。
图 9 南极−艾肯盆地及邻区布格重力异常与月壳厚度（布格重力数据来自 GRAIL任务发布的 1200 阶布格异常模型，Goossens et al.，2020；月壳厚度数据使用GL0420A重力场模型计算得到，Wieczorek et al.，2013）Figure 9. Bouguer gravity anomaly and lunar shell thickness of the South Pole–Aiken Basin and adjacent areas (The Bouguer gravity data is derived from the 1200-order Bouguer anomaly model published by the GRAIL mission from Goossens et al., 2020; The lunar shell thickness data are derived from the lunar shell thickness model calculated by Wieczorek et al. using GL0420A gravitational field model. Data source: Wieczorek et al., 2013)位于研究区内的深部断裂主要有2组，1组是垂直于南极−艾肯盆地边缘并呈放射状展开的4条推测深部断裂，长度分别为1524 km、1450 km、779 km和318 km，走向均为北西−南东向（图10）。将全月球深部断裂以南极为投影中心显示并统计全月深部断裂长度，发现其中2条北西向深部断裂（图10中箭头指示的a、b）为全月最长的2条推测深部断裂的组成部分，断裂起始于南极−艾肯构造区，几乎跨越整个高地构造区。另1组断裂与南极−艾肯盆地环相切，呈北西−南东走向。
图 10 月球推测深部断裂识别结果及主要撞击盆地位置a、b为全月最长的2条推测深部断裂的组成部分Figure 10. Recognition results of inferred deep faults and location of main impact basins on the Moona and b are the components of the two longest inferred deep faults on the moon.加加林地区位于南极−艾肯构造区与高地构造区交界位置，所包含的2组主要深部断裂延伸方向1组与南极−艾肯盆地垂直，延伸距离与南极−艾肯盆地的辐射影响范围高度重合，符合以中心向外冲击力为主要动力源的放射状断裂的形态特征。另1组深部断裂边缘与南极−艾肯盆地环相切，形态符合坑缘断裂沿撞击盆地或撞击坑边缘分布的基本特征（陆天启，2017）。南极−艾肯撞击盆地是月球最古老的大型盆地，也是唯一深刻影响月球构造分区格局的撞击盆地（刘建忠等，2015），其形成可能引起深部物质、岩浆活动、密度等变化，从而使重力数据出现放射状线性异常。
从时间上看，南极−艾肯撞击事件发生时间约为42.5亿年前（Wilhelms et al.，1987），而根据切割关系推断深部断裂形成时期为45～42亿年时段内（陆天启等，2019）。因此认为月球热膨胀等内力作用与南极−艾肯撞击事件共同造就了全月最长深部断裂的产生，是月球内、外动力共同作用的结果。主要影响应力为撞击应力，形成古老的撞击断裂；热膨胀作用等作为次要影响应力使断裂加深加宽。由于年代久远，月貌形态被众多年代较新的撞击坑不断改造，已经无法通过影像图直接观测到其在形貌变化上的证据。
对于南极−艾肯盆地对月球形成与演化的影响仍需进一步研究。自南极−艾肯盆地向外延伸的多条深部断裂（月壳厚度的线性异常）延伸至月球正面各大盆地，说明在月球深部，月球背面南极−艾肯盆地的影响范围能够辐射到月球正面其他单元。对于南极−艾肯盆地撞击事件是否是月球近端与远端差异的主要原因现在仍未达成共识，但月球的影响绝不仅仅局限于表层形貌已经得到了较为广泛的认可。
此外，研究区还发育有皱脊构造。皱脊是独特的正地形线状构造，在形态表现出不规则的弯曲线状特征，呈辫状、绳状、脉状分布。在地形剖面上，皱脊表现出中央凸起，两侧不对称的特征。研究区内皱脊共发育24处，主要分布在艾肯（Aitken）撞击坑、伊萨耶夫（Isaev）和帕拉切尔苏斯（Paracelsus）撞击坑底部。皱脊的演化机制与形成过程目前仍存在一定的争议，但目前更多的证据与研究表面皱脊是构造作用的结果（陆天启，2020）。
4.3.2 外动力成因构造
外动力成因的月球地质构造指撞击作用发生在月表而形成的构造形迹，如撞击盆地、撞击坑、撞击断裂、撞击坑链等（陆天启，2017）。根据构造形迹的形态不同又将其进一步划分为环形构造与线性构造，环形构造即前述撞击坑和撞击盆地。
研究区共解译出2组撞击断裂，分别位于东北部2个雨海纪的撞击坑坑壁位置，其中基勒（Keeler）撞击坑、艾肯（Aitken）撞击坑坑壁上均分布着7条撞击断裂，形成年代均为雨海纪。撞击断裂主要依据影像及坡度、高程数据等进行识别。如基勒坑中的1组撞击断裂可以根据其在坡度图、WAC影像图表现出的平行于坑缘且坡向、坡度近似的线状特征进行解译，进而判定为垮塌作用形成的次生撞击断裂（陆天启，2020）。重力造成的垮塌是使部分撞击坑坑壁出现台阶状断裂的直接原因（丁孝忠等，2014）。撞击坑链主要分布于研究区西侧，其中6条为北东走向，推测可能均来自齐奥尔科夫斯基（Tsiolkovskii）撞击坑，形成年代为晚雨海世。
5. 讨论
为进一步探讨研究区区域地质演化特征，需要开展撞击坑定量年代学、重大断裂构造成因及区域地质地貌时空演化历史过程综合分析，总结加加林地区的地质构造演化规律。
5.1 撞击坑定量年代学研究
在ArcGIS中定量统计撞击坑数量、直径与面积，并分别建立三者与年代的对应关系（图11，图12）。结果显示，直径35 km以下的撞击坑占统计范围总撞击坑数量的76%，且在各个年代的占比均较高，说明在月球撞击历史上，中小型撞击事件仍是大概率事件。但数量较少的大型与超大型撞击事件对月表形态的改造明显更为深远和显著。综合面积与直径数据，艾肯纪是大型撞击坑（直径大于70 km）占同期撞击坑数量的比例最大、平均直径最大的地质年代，这一时期的撞击坑面积（仅统计坑壁、坑底面积之和）约占所有年代撞击坑总面积的1/2，是造成图幅内月貌改造范围最大的时期。
图 11 不同地质年代各直径范围不同撞击坑占比Figure 11. The proportion of impact craters of different diameters in different geological ages
图 12 不同地质年代坑物质面积与数量占比Figure 12. The proportion of crater material area and quantity in different geological ages各地质年代撞击坑总面积（仅统计坑底、坑壁面积）自艾肯纪至哥白尼纪呈现自老至新逐渐减少的趋势（图12），说明随着时间变新，外力作用于月球表面的能量总量逐渐减少，笔者认为应与各时期月球所处宇宙环境的变化有关。根据大碰撞假说，月球与地球为同源物质撞击分离形成（欧阳自远和刘建忠，2014），随着地月系乃至太阳系的不断演化，各天体的运行轨道及各自自转状态趋于稳定，同时系统内各天体的质量随着碰撞的发生不断减小（Neukum et al.，2001），因此从大的时间尺度上看，发生大型碰撞的概率随时间递减。而当天体系统更加稳定，实际已缺乏发生大型撞击的物质条件，规模小、数量大的小型撞击事件成为外力成因事件的主要内容。
5.2 加加林区域地质构造演化历史
5.2.1 艾肯纪
随着熔融状态的月球“岩浆洋”在结晶分异作用（Warren，1985）下最终形成固态的斜长岩月壳（Dowty et al.，1974），月球表面开始记录以撞击事件为重要特征的地质演化历史。从此每一次撞击事件都会表现为对月球表面形貌的改造，并可以依据撞击坑、撞击盆地的叠置关系推断月球外动力成因的地质演化历程并追溯月壤物质的可能来源。内动力地质作用的证据如火山口、月溪、月海玄武岩等也同样被月表逐一记录。内、外动力地质作用对月表的不可逆改造是研究月球形成与演化历史的重要依据。研究区所记录的最早撞击事件是艾肯纪的南极−艾肯撞击事件，其使研究区东南方向覆盖有一套南极−艾肯盆地的溅射物，面积约占研究区总面积的1/2（图13a）。艾肯纪期间发生了3次大型撞击事件，形成了加加林盆地、智海盆地与基勒西盆地；同时该期内还发生若干次大、中型撞击事件，形成了占全部年代撞击坑总面积47%的艾肯纪撞击坑，艾肯纪时期撞击事件改造的月貌约占总面积的80%。从撞击坑分布形态看（图5），艾肯纪撞击坑在较小范围内发生多次叠置，撞击事件落点较为集中，且撞击坑大小、形态相似，推测其可能是某几段时间内集中发生多次撞击事件的结果。区内虽未识别出定年为艾肯纪的构造，但艾肯纪盆地与大型撞击坑形成所带来的应力环境、重力状态改变是后续继续发育构造的重要前提与基础，尤其是在撞击坑、撞击盆地边缘的伸展环境使断裂错动更易发生，如形成于晚雨海世的多条月堑从形态上表现出与艾肯纪智海盆地延展方向高度吻合的形态特征。
图 13 加加林地区各时期外动力地质作用图例说明同图5a—艾肯纪撞击坑（盆地）；b—酒海纪撞击坑（盆地）；c—雨海纪撞击坑（盆地）；d—爱拉托逊纪−哥白尼纪撞击坑Figure 13. Impact craters (basins) formed in different periods by exodynamic geological processes in the Gagarin region(a) Aitkenian Period; (b) Nectarian Period; (c) Imbrian Period; (d) Eratosthenian Period–Copernican PeriodRefer to Fig.5 for legend details.5.2.2 酒海纪
根据撞击坑的定量年代学统计结果，酒海纪可以看作艾肯纪与雨海纪的过渡时期：在面积上，酒海纪撞击坑所改造的月貌面积相比于艾肯纪减少了17%，高于后续雨海纪15%；在数量上，酒海纪与艾肯纪撞击坑数量持平，比雨海纪少约10%。区内仅艾肯纪、酒海纪有撞击盆地发育（图13a、13b）。
5.2.3 雨海纪
雨海纪时期发生了区域内最多的撞击事件，发育了最多的外动力成因构造：区内解译出的所有撞击坑链、撞击断裂均形成于雨海纪。内动力地质作用同样活跃，区内所有已定年的坑底断裂月堑均为雨海纪发育。早、晚雨海世形成的2个大型撞击坑：基勒坑与艾肯坑及邻区是加加林地区各类构造发育相对最为密集的区域。根据撞击坑大小−频率定年结果，雨海纪发生多期岩浆活动，使部分撞击坑坑底充填有部分月海玄武岩（图6，图13c）。
综上所述，加加林地区古月宙构造活动特征可以概括为：自艾肯纪至雨海纪，单次撞击事件改造的面积逐渐趋于减小，撞击事件的数量趋于增加；在艾肯纪时期大型撞击事件的影响下，雨海纪是发育已解译构造最多的年代。这一阶段，加加林地区内、外动力地质作用都相对活跃。
5.2.4 爱拉托逊纪至哥白尼纪
从内动力作用上看，爱拉托逊纪的岩浆活动逐渐减弱至停止，区内没有新的构造形成。从外动力作用上看，撞击事件发生的规模与数量相比活跃时期均有了明显下降。爱拉托逊纪形成了32个小型撞击坑，其中规模相对较大的3个分别为帕拉切尔苏斯M（Paracelsus M）、伯克兰（Birkeland）和奥戴（O’ Day）撞击坑。哥白尼纪仅有零星的小规模撞击事件发生，特点是因时间较近，这些新撞击坑可以识别出明显的辐射纹（图13d）。
从最古老的艾肯纪到最新的哥白尼纪，外动力地质作用的活跃程度表现出明显随时间下降的趋势。
6. 结论
（1）加加林地区位于月球背面中部低纬度地区，具有月球高地区的典型地质特征：海拔高，岩石以亚铁斜长岩为主，纯斜长岩分布较为广泛，月海岩石类型为低钛玄武岩和极低钛玄武岩，出露规模小；撞击坑数量多、密度大，远高于相同面积的月球正面月海区域。
（2）根据撞击构造解译分析结果，认为艾肯纪至雨海纪是外动力地质作用最活跃的时期，撞击事件表现出自艾肯纪至雨海纪单次撞击事件改造的面积趋于减小，撞击事件的数量趋于增加的特征。区内艾肯纪、酒海纪有撞击盆地发育，而雨海纪是内动力地质作用最活跃的时期，有绝对年龄的大部分构造及所有的玄武岩均在这一时期形成。
（3）研究区内各时代撞击坑数量与直径呈负相关关系；自艾肯纪至哥白尼纪，撞击作用影响的面积逐渐减少，推测与月球所处宇宙环境趋于稳定、天体大型撞击缺乏物质条件、发生概率减小有关。
（4）研究区发育了全月最长深部断裂，自南极−艾肯盆地向外延伸至月球正面大型盆地区，说明月球背面南极−艾肯盆地的形成演化影响范围可以辐射到月球正面单元。
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图 1 1∶250万月球地质图分幅及加加林地区位置示意图（底图为CE-1 CCD影像数据，分辨率为120 m；数据来源月球与行星数据发布系统
https://moon.bao.ac.cn/ ；图中经纬度注记中无负号代表东经经度和北纬纬度，有负号为西经经度和南纬纬度，如−30°代指南纬30°，150°代表东经150°，下同）Figure 1. The map sheet of the 1∶2500000 geological map of the moon and the position of the Gagarin region (Base map is CE-1 CCD image data, with a resolution of 120 m; data source: Moon and Planetary Data System https://moon.bao.ac.cn/; In the latitude and longitude annotation in the figure, no negative sign represents north latitude, and a negative sign represents south latitude, such as –30° indicating 30° south latitude, the same below.)
图 2 加加林地区地貌示意图（底图为LOLA高程数据；数据来源NASA官网
https://disc.gsfc.nasa.gov/ ）Figure 2. Topographic schematic map of the Gagarin region (Base map is LOLA elevation data; data source: NASA official webbsite
https://disc.gsfc.nasa.gov/ )
图 4 月球地质年代划分方案（据郭弟均等，2014；凌宗成等，2014修改）
Figure 4. Geologic chronology of the moon (modified after Guo et al., 2014; Ling et al., 2014 )
图 7 加加林地区月堑、叶状陡坎解译结果
a—部分月堑分布位置（底图为 WAC 影像，其中AA′为月堑剖面线，箭头指示月堑位置）；b—对应区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加，箭头指示月堑位置）；c—AA′剖面线对应地形剖面；d—部分叶状陡坎分布位置（底图为WAC 影像，其中BB′为叶状陡坎剖面线，箭头指示叶状陡坎位置）；e—叶状陡坎分布区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加，箭头指示叶状陡坎位置）；f—BB′剖面线对应地形剖面
Figure 7. Interpretation results of lunar grabens and lobate scarps in the Gagarin region
(a) Partial distribution map of lunar grabens (Base map is WAC image, where AA′ represents the section line of lunar grabens, with arrows indicating the position of lunar grabens); (b) Elevation map of the corresponding region (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data); (c) Topographic section corresponding to the section line AA′; (d) Partial distribution map of lobate scarps (Base map is WAC image, where BB′ represents the section line of lobate scarps, with arrows indicating the position of lobate scarps); (e) Elevation map of the lobate scarp distribution area (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data, with arrows indicating the position of lobate scarps); (f) Topographic section corresponding to the section line BB′
图 8 加加林地区月溪、坑底断裂解译结果
a—研究区内部分月溪分布位置（底图为 WAC 影像，其中CC'为月溪剖面线，箭头指示月溪位置）；b—对应区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加）；c—CC'剖面线对应地形剖面；d—部分坑底断裂分布位置（底图为 WAC 影像，其中DD'为坑底断裂剖面线）；e—坑底断裂分布区域高程图（底图为 LOLA 数据和 WAC影像数据叠加）；f—DD'剖面线对应地形剖面
Figure 8. Interpretation results of sinuous rilles and crater-floor fractures in the Gagarin map
(a) Partial distribution map of the sinuous rille (Base map is WAC image, where CC′ represents the section line of the sinuous rille, with arrows indicating the position of the sinuous rille); (b) Elevation map of the corresponding region (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data); (c) Topographic section corresponding to the section line CC'; (d) Partial distribution map of crater-floor fractures (Base map is WAC image, where DD′ represents the section line of crater-floor fractures); (e) Elevation map of the crater-floor fracture distribution area (Base map is superimposed by LOLA data and WAC image data); (f) Topographic section corresponding to the section line DD'
图 9 南极−艾肯盆地及邻区布格重力异常与月壳厚度（布格重力数据来自 GRAIL任务发布的 1200 阶布格异常模型，Goossens et al.，2020；月壳厚度数据使用GL0420A重力场模型计算得到，Wieczorek et al.，2013）
Figure 9. Bouguer gravity anomaly and lunar shell thickness of the South Pole–Aiken Basin and adjacent areas (The Bouguer gravity data is derived from the 1200-order Bouguer anomaly model published by the GRAIL mission from Goossens et al., 2020; The lunar shell thickness data are derived from the lunar shell thickness model calculated by Wieczorek et al. using GL0420A gravitational field model. Data source: Wieczorek et al., 2013)
图 10 月球推测深部断裂识别结果及主要撞击盆地位置
a、b为全月最长的2条推测深部断裂的组成部分
Figure 10. Recognition results of inferred deep faults and location of main impact basins on the Moon
a and b are the components of the two longest inferred deep faults on the moon.
图 11 不同地质年代各直径范围不同撞击坑占比
Figure 11. The proportion of impact craters of different diameters in different geological ages
图 12 不同地质年代坑物质面积与数量占比
Figure 12. The proportion of crater material area and quantity in different geological ages
图 13 加加林地区各时期外动力地质作用
图例说明同图5a—艾肯纪撞击坑（盆地）；b—酒海纪撞击坑（盆地）；c—雨海纪撞击坑（盆地）；d—爱拉托逊纪−哥白尼纪撞击坑
Figure 13. Impact craters (basins) formed in different periods by exodynamic geological processes in the Gagarin region
(a) Aitkenian Period; (b) Nectarian Period; (c) Imbrian Period; (d) Eratosthenian Period–Copernican PeriodRefer to Fig.5 for legend details.
表 1 研究区撞击坑直径和数量
Table 1. Craters' diameters and numbers in the study area
直径/km 不同地质年代撞击坑的数量/个 艾肯纪 酒海纪 雨海纪 爱拉托逊纪 哥白尼纪 年代未确定 总计 <15 14 33 95 12 7 53 214 <35 39 51 60 16 1 36 203 <70 43 25 14 4 0 0 86 >70且<200 31 13 5 0 0 0 49 总计 127 122 174 32 8 89 552 
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