复杂月球模型中月震波传播特征研究

The Moon is the only solar system body beside the Earth for which seismic data have been obtained. Analysis of the lunar seismic data revealed the internal structure of the whole moon. However, seismic wave propagation in the Moon's interior is still not well understood from limited lunar seismic observation data. Researchers have applied numerical simulations of seismic wave propagation to the whole Moon model, and enhanced our understanding of its physical process. Recently, we have successfully performed numerical calculation of seismic wave propagation in the whole Moon model. Based on this work, in this project we will further investigate seismic wave propagation with numerical modeling inside a complex whole Moon model. With an improved parallel hybrid numerical method for 3D model, we will investigate the effects of megaregolith on moon seismic wave propagation, and discuss the thickness and structure of this layer through comparing with the observed waveforms. We will further investigate the effects of a strong lateral heterogeneous moon crust on seismic wave propagation and discuss the structure of moon crust through comparing with the observed waveforms. We will further study the effects of the lunar core mantle boundary and its transition zone on reflected and converted seismic waves occurred at this boundary, and how can these phases be observed efficiently. Results of above mentioned studies should provide further seismological evidence for seismic study of the Moon's interior and the design and implementation of the future lunar exploration project.

月球是太阳系除地球之外人类获得表面震波观测资料的唯一天体，对月震波资料的研究揭示了月球内部结构。但是，仅仅依靠现有波形资料，我们对月震波传播过程的理解仍然十分有限。研究者通过数值模拟月震波传播过程，增进了我们对其物理过程的理解。申请人最近成功开展了全月球模型中月震波传播的数值计算工作。在此基础上，本项目将进一步深入开展复杂月球模型中月震波传播特征研究。利用改进的三维混合并行数值计算方法，深入讨论粗风化层对月震波传播的影响，和观测数据对比，讨论粗风化层的厚度与结构特性。深入讨论月壳厚度的强烈横向变化以及月壳结构对月震波传播的影响，和观测数据对比，讨论月壳结构特性。深入讨论月核与月幔边界及其过渡带结构对月震波反射、转换震相特征的影响，以及在什么条件下能够有效观测到这些震相。通过上述科学问题的研究，为月球内部结构月震学研究，以及未来新的月震观测计划的设计与实施提供新的月震学依据。

月球是除地球之外人类获得震波观测资料的唯一天体，深入开展月震学研究，对于研究月球内部结构，理解月球起源与演化，以及未来探月计划的设计与实施都具有非常重要的科学意义。本项目基于我们发展的地震波传播的伪谱和有限差分混合方法，开展复杂月球模型中月震波传播特征研究，通过阿波罗月震观测数据的对比分析，深入讨论粗风化层、月壳、月核与月幔边界及其过渡带特征对月震波传播的影响。研究取得的主要成果包括：（1）成功模拟了上月壳中的散射在月震波形中引起强烈尾波的现象。通过理论与观测数据的对比，首次提出上月壳中震波速度扰动的标准差为3%左右。（2）发现月壳厚度的强烈横向变化会造成多重反射震相以及面波。利用最新月壳模型，发现在撞击坑附近月壳厚度的横向变化会产生强烈的后续震相，引起的多次反射波主要以S波为主。（3）研究了月震所激发的全球SH波传播特征，讨论了频率以及月壳厚度横向变化的影响，月球核幔边界SH波反射震相更加清晰。（4）认为月震强烈散射尾波可能是由上月壳中的低波速、低衰减和散射这三个因素共同作用所引起。这一结论提高了我们对月震尾波形成机制的认识。（5）认为月球结构和地球的根本区别是上月壳强烈散射层的存在。未来月震观测需要布设非常宽频带的月震仪器，并需要在远月面布设月震仪器。（6）成功开展了基于GPU并行计算和伴随法的一维地震全波形反演研究，为开展月震波形反演提供了重要基础。（7）发展了考虑地形起伏的地震波传播有限差分计算程序，对甘肃东南部的计算显示了起伏地形对地震波的散射，为模拟月球起伏地形的影响奠定了基础。（8）对基于贝叶斯方法和马尔科夫链蒙特卡洛取样法的概率论反演进行了系统研究，应用于地震定位，分析了其可行性。为基于该方法的月球内部结构波形反演奠定了基础。（9）通过二维盆地地震波传播计算，解释了柴达木盆地基岩和沉积层上观测地面运动差异的主要原因，为理解月球盆地月震波传播特征提供了方法参考。