基本信息
- 项目名称：
- 基于嫦娥一号激光测高数据的月球布格重力异常与岩石密度特征
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品利用最新的由嫦娥一号（CE-1）激光测高获得的360阶次月球全球地形模型（CLTM-s01），和月球探测者号（Lunar Prospector）飞船获得的最新月球重力场数据LP165P模型，结合我们建立的月表岩石密度分布模型，采用我们提出的球冠域地形校正方法，进行月球全球变密度布格校正，获得新的精度高的全球布格重力异常。在此基础上，对月球重力异常进行分析，反演月球内部物质密度分布，并开展月球内部构造研究。
- 详细介绍：
- 迄今为止，人类获得的探究月球内部深处的资料包括月球重力数据、月球磁测数据以及布设在月球表面的月震台站网所获得的月震记录。由于无法在月球表面进行实地的大量的人工月震和天然月震观测,月球重力场就成为了了解月球深部构造、层圈形态及物质密度分布特征的一个重要手段，为研究早期月球内部物质运动特征及月球起源与演化提供证据，而且是月球探测器飞行的轨道控制、月球着陆器着陆区的选择的重要依据。此外，根据获得的月球重力异常分布图,我们可以初步了解可能的矿物分布范围和评估月球矿产资源总量，还可以推进行星内部演化共性与特性的比较研究。 由于在数百公里上空进行探测，卫星具有不受地面及地下局部因素干扰和地域的限制等特点，可以得到全球或任意指定区域范围内卫星重力数据。随着卫星重力观测技术的发展，观测数据的精度和可靠性都有了大幅度的提高。目前最好的月球重力场球谐模型包括2001年的LP165P模型和2009年的SGM90d模型，在月球正面两者一致，但后者在月球背面和两极地区有更高的分辨率和精度。 在重力学研究中经常应用的地面重力异常包括了布格重力异常、自由空气重力异常和均衡重力异常等，其中，布格重力异常应用最广泛，它是由观测重力值经过地形校正、高度校正、中间层校正(又称为布格校正)和参考椭球体正常场校正后得到的。在利用由飞船得到的引力场研究月球内部构造时，必须剔除地形的影响。然而，相对地面观测数据而言，对卫星重力数据的地形校正有着不同的方法和意义。它是指地形起伏和中间层的作用可视为地形物质相对标准球面分布的总效应，故卫星重力布格校正值的计算可以定义为：相对标准球面地形起伏物质所产生引力的正演过程。 采用常密度进行布格校正，如果选取密度与月表岩石密度有差异时，由于地形起伏将可能产生与地形相关的虚假异常。很容易证明，在校正密度大于地表物质密度的地区，有可能产生与地形起伏呈负相关的假异常;在校正密度小于月表物质密度的地区，有可能产生与地形起伏呈正相关的假异常。 为了完全消除相对月球参考面起伏物质对对重力场的影响，我们必须建立月球表面物质密度分布模型，然后采用变密度布格校正，得到精确地反映月球内部结构和物质密度分布等因素所引起的重力异常，从而可以更加可靠地探索月球内部结构。 本项目先对基于球冠域的地形校正计算方法做了研究和探讨，考虑全球范围的地形起伏物质对校正点的影响，将此方法推广为基于球冠域的全球地形校正，并将它应用到月球重力地形校正中。在与球坐标系中Tesseroid 单元体地形校正方法进行对比的过程中，分析了此方法的可行性及优缺点。然后，利用月球岩石样品、遥感数据、月震数据分析结果和重力异常的分析和处理，在嫦娥一号激光测高获得的月表地形控制下建立月球表面物质密度分布模型，对月球进行变密度布格校正，得到新的真实地反映内部物质分布特征的月球全球布格重力异常。最后，初步分析了月球重力异常特征、质量瘤的异常特征及空间分布与月壳均衡状态，并尝试结合25个由月震数据计算的月壳厚度，利用重力异常与月壳厚度的相关性估算了月球全球的月壳厚度。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 研究目的：建立球冠域地形校正方法；计算月球全球高精度布格重力异常；研究月球内部物质密度分布特征。 基本思路：月球重力布格校正可以定义为：相对月球标准球面地形起伏物质所产生引力的正演过程，因此，建立球坐标系中物质径向引力算法；利用月球岩石样品、遥感及月震数据分析结果和重力异常的分析和处理，在月表地形控制下建立月球表面岩石密度分布模型，对月球进行变密度布格校正。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品的特色与先进之处在于，利用最新的由嫦娥一号激光测高获得的360阶次月球全球地形模型，和月球探测者号飞船获得的最新月球LP165P重力场模型，通过建立月球表面岩石密度分布模型，采用新的高精度布格校正方法，即球冠域地形校正方法，进行月球全球变密度布格校正，获得新的高精度全球布格重力异常，进而分析月球重力场特征。在此基础上进行月球内部物质密度分布反演，并开展月球内部构造的研究。
应用价值和现实意义
- 1.建立高精度的球冠域地形校正方法，可以用于月球、火星等行星重力研究中，还可以运用到地面重力勘探等领域； 2.建立月球表面岩石密度分布模型，利用我国嫦娥一号获得的月球全球地形模型，获得高精度的月球布格重力异常，可以反演月球内部构造、圈层形态及物质分布，研究月球起源与演化；还可以用于月球矿产勘探等； 3.月球地形与重力场结合起来，分析月壳物质分布等，为月球着陆器的着陆区的选择的提供依据等。
学术论文摘要
- 卫星重力地形校正与传统的地面地形校正有所区别。考虑到全球地形起伏对月球重力的影响，本研究提出球坐标系下的球冠域地形校正计算方法，并研究和探讨了该方法涉及的球坐标系相互转换和地形模型重构等问题。利用嫦娥一号激光测高数据对月球重力进行地形校正，获得了月球布格重力异常，并与Tesseroid 地形校正方法对比，分析了球冠域方法的空间分辨能力及其优缺点。 在重力布格校正中，如果选取密度与实际岩石密度有差异时，由于地形起伏将可能产生与地形相关的虚假异常。分析月表岩石矿物组成及密度分布特征，利用月球岩石样品、遥感数据和重力异常的分析和处理，在嫦娥一号激光测高获得的月表地形控制下，建立月球表面物质密度分布模型。在此基础上，采用球冠域地形校正方法，得到新的真实反映内部物质分布特征的月球全球布格重力异常。初步分析了月球布格重力异常特征，提出对月壳物质分布特征及均衡状态的理解和认识。并尝试结合25个由月震数据计算的月壳厚度，利用重力异常与月壳厚度的相关性估算了月球全球的月壳厚度，计算结果与国外学者计算的结果大体一致。
获奖情况
- (1)2009年05月21日，中国自然科学核心期刊、多种著名国际检索系统检索期刊、地学领域代表性期刊《地球物理学报》录取文章《月球表面岩石密度及月壳物质分布特征》； (2)2009年06月03日，中国自然科学核心期刊《地球物理学进展》录取文章《基于球冠域的月球重力地形校正方法》，将于2010年第（3）期发表； (3)2009年06月06日，在湖北省第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。
鉴定结果
- 经科技查新鉴定：未见国内外有与查新点“利用球冠域重力地形校正方法计算月球全球的地形影响值”以及查新点“利用嫦娥一号激光测高数据，通过统计月球表面密度分布，计算月球变密度布格重力异常” 相同的研究。
参考文献
- [1]Namiki N,et al. Farside gravity field of the Moon from Four-Way Doppler Measurements of SELENE(Kaguya)[J]. Science, 2009, 32(3): 900～905. [2]欧阳自远.我国月球探测的总体科学目标与发展战略[J].地球科学进展，2004, 19(3): 351～359； [3]平劲松,黄倩,鄢建国,等.基于嫦娥一号卫星激光测高观测的月球地形模型CLTM-s01[J].中国科学G辑:物理学,力学,天文学,2008, 38(11): 1601～1612. [4]张昌达,陈超.月球引力场和磁场探测新进展[J].地质科技情报, 2004, 23(4): 6～11. [5]张明皓,陈超,等.月球表面多种金属元素的分布特征初探[J].地学前缘,2007, 14(5): 277～284. [6]李裴,鄢建国,平劲松.月球探测及月球重力场的确定[J].地球物理学进展, 2006, 21(1): 31～37. [7]Yang Z J, Chai Y P. Spherical external gravity correction[J]. Applied Geophysics, 2005, 2(3): 131～134. [8]Heck B, Seitz K. A comparison of the tesseroid, prism and point-mass approaches form as a reductions in gravity field modeling[J]. Journal of Geodesy, 2007, 81: 121～136.
同类课题研究水平概述
- 利用重力资料研究月球内部物质分布，首先要得到布格重力异常。20世纪70年代，科学家们只能利用有限的探月数据来计算布格校正，计算结果十分粗略；直到90年代中期，克莱门汀号上的激光测高计为研究月球形状提供了精确月球地形数据，使科学家们更准确地估计由地形起伏所产生的重力效应。Morgan和Blackman利用建立基于笛卡儿（直角）坐标中的近似计算方法；Zuber和Neumann应用Morgan和Blackman的方法对全月球的月壳厚度进行约束反演；Wieczorek和Phillips借鉴Robert Park的思想（利用FFT快速计算界面起伏物质层位场），建立了模拟Park方法的球谐级数近似算法，并对全月球重力场作布格校正，得到全球布格重力异常，在此基础上对月壳厚度进行约束反演。目前Wieczorek的方法已被许多后来者引用(如Lognonne,2003；Warren,2005;Namiki,2009等)，美国NASA和PSD发布的月球布格异常数据也是基于该方法获得的。然而，从PSD发布的数据来看，由该方法计算的布格重力异常十分零乱，与月表地形关系密切。事实上，Wieczorek方法的计算相当复杂繁琐，十分耗时，而且只能用均一的密度进行计算。 已获得的月球探测资料表明，月球表面岩石具有多种类型且成因各异，Berezhnoy等利用最新元素丰度资料对月球表面岩性进行分类“填图”，认为月球高地普遍存在含铁质斜长石的岩石，而在月球背面的高地具有富钙贫铝的特征；在月海地区普遍存在富含镁的玄武岩，而在许多大型的月海东缘存在相对富集辉长石。H.Chenet等利用Apollo地震台网数据重新进行计算，提出了月壳厚度横向变化的证据。Konopliv等利用最新的重力资料分析，认为月壳岩石密度至少存在300－400kg/m3的变化。这些观点预示着月壳物质存在横向不均匀或密度变化，是影响月球重力场特征的重要因素。 查新结论指出:以往所有学者计算的月球全球布格重力异常均采用非球冠域重力地形校正方法，而且均采用单一密度进行校正，计算精度低；变密度地形校正方法在地球上运用很多，但没有学者通过建立月表岩石密度分布，进而在月球上进行变密度重力地形校正。关于嫦娥一号激光测高的报道很多，但没有见到利用CE-1测高数据计算月球布格重力异常的报道。
