基于新近重力地形数据的月球物理参数反演研究

Accuracy of the recent lunar gravity field model is highly increasing. Effective spherical harmonic coefficients of this gravity field model and the recent topography model are globally improved with a higher resolution, which makes lunar geophysics research thus become possible. Because of the selenographical limited extent of seismic network, lunar geophysical parameters can not be globally solved just with limited seismic data. Another powerful method that can be used to probe the lunar subsurface structure globally is through the collaborative analysis of gravity and topography data. Based on the recent gravity and topography data, an appropriate gravity/topography admittance model can be constructed in space domain. And using a nonlinear inversion method as well as a better objective function, lunar geophysical parameters such as load ratio, crustal thickness, crustal density and effective lithosphere thickness can be inversed subsequently. These parameters play a significant role in the research of lithosphere isostatic compensation and formation of Mascon, and the constraints of lunar thermal evolution. The project proposes to simultaneously inverse the multiple lunar geophysical parameters based on the gravity/topography admittance and the nonlinear inversion algorithm. The best solution of the inversed parameters can be available due to the algorithm. This research can be therefore beneficial for lunar internal structure investigation.

新近月球重力场模型的精度得到极大地提高，模型有效阶次不断地增大，月球地形模型的有效阶次已达历史之最，有助于月球物理研究的开展。由于月震数据仅局限于月球正面区域，无法利用月震数据研究月球物理参数的全球特征。基于这一考虑，本项目应用新近月球重力场模型和地形模型，在空间域内构建适宜的重力/地形导纳模型，结合非线性反演方法迅速搜索全局最优解的特点,构建适宜的目标函数，同时反演多个月球物理参数如表面载荷与内部载荷比、月壳厚度、月壳密度和月球岩石圈弹性厚度等。这些全局优化的物理参数可用于月球岩石圈均衡补偿类型的研究，解释月球质量瘤的形成机制，为月球热演化提供约束，项目研究可为月球内部精细结构研究提供有益的参考。

由于自转与公转同步，地基跟踪系统无法直接观测月球背面，早期月球重力场模型在其背面的有效阶次和分辨率较低，不适合作月球背面以及正面与背面交接处的月球物理参数估计。新近GRAIL系列重力场模型和基于LOLA激光测高数据的地形模型，全球有效阶次和分辨率得到了极大地提高，应用重力/地形导纳，有助于月球岩石圈有效弹性厚度及其全球分布的估计，进而为月球的早期热演化提供约束。由于月球岩石圈薄膜应力对载荷的支撑效应不能忽略，通常将岩石圈近似成高阶薄弹性球层模型。由于该模型的非线性特征，诸如最小二乘的传统算法无法直接求解加载载荷与岩石圈弹性响应之间的关系，非线性反演算法较适合解决该问题。非线性粒子群算法以可调参数少，易操作而被广泛的应用。由于反演问题的多解性，常规粒子群算法容易出现收敛早熟，为此引入自适应惯性权重和变异算法，有效地避免了早熟现象。项目研究利用新近高分辨率GRAIL重力场模型和基于LOLA激光测高数据的地形模型，应用岩石圈薄弹性球层模型，构建了表面地形载荷和内部异常密度载荷，利用重力/地形导纳和改进后的非线性粒子群算法，对月球岩石圈的相关物理参数进行了估计，这些参数包括月壳密度、月壳厚度、载荷比和弹性厚度等。结果显示改进的粒子群算法具有较强的全局搜索能力，求解的月壳厚度及密度与其他研究结果相近，表明项目研究构建的载荷模型具有一定的合理性。进一步地研究表明，位于月球正面与背面交接处的Grimaldi撞击盆地区域的弹性厚度在28 km左右，大于近期月球正面撞击盆地弹性厚度的其他研究结果（~1 km）。考虑正面与背面交接处缺少诸如月海火山等热活动，较冷的岩石圈孕育相对较大的弹性厚度具一定的合理性。对Grimaldi弹性厚度的估计，目前国内外尚无此类研究，将该方法扩展至其它大型月海盆地，并对相应区域的弹性厚度值进行估计，可为月球热演化的约束提供一定程度的参考。