基于高分辨率重力地形数据的火星和月球物理参数反演研究

The effective elastic thickness plays an import role on the constraints of thermal evolution of the planets and the Moon, due to its implication of the lithospheric mechanical properties. With improving resolutions of the gravity and laser altimetry data and based on the admittance between them, it is possible to estimate the effective elastic thickness after loading as well as other parameters such as load depth, load ratio, crustal thickness and crustal density. Considering the lithosphere as a thin elastic spherical shell, its governing equation can be solved through a numerical method, which could include most of the planetary and lunar geophysical anisotropic features. Based on the updated martian and lunar gravity field models as well as topography, this project plans to model the loads and their combinations in space domain with various parameters in order to infer the modeled admittance. The globally optimized nonlinear algorithm Particle Swarm Optimization is used to estimate the martion and lunar geophysical parameters related to elastic thickness. As to geological domain with special surface morphology, it is necessary to make an gravity anomaly correction including those from fillings of impact basins and magma within the volcano. Then it is possible to estimate all the related parameters over such particular geological area, which could provide a good reference for the martian and lunar thermal evolution. It can also help understand the dichotomies of the Mars and the Moon and provide new insight into the differences of mascon basin between the two celestial bodies.

反映岩石圈力学性质的有效弹性厚度，对星体热演化历史的约束至关重要。伴随卫星重力和激光测高数据分辨率的提高，使用两者间的导纳统计关系，可有效地估计载荷加载时期的有效弹性厚度，以及载荷深度、载荷比、行星壳厚度和行星壳密度等物理参数。基于岩石圈薄弹性球层模型，使用数值方法直接求解模型高阶控制方程，可以最大限度地保留待估参数的各向异性特征。项目研究拟应用新近火星和月球重力场模型，以及地形模型，在空间域内构建适宜的载荷模型及其组合模式，求解不同待估参数的模型导纳谱。应用全局优化的非线性粒子群算法，对与弹性厚度有关的物理参数进行最优估计。针对特殊地质形貌，如撞击盆地填充物和火山岩浆池，对其产生的重力异常进行改正，可估计这类特殊地质区域的相关物理参数，为火星和月球的热演化约束提供一定的参考。在一定程度上有利于火星和月球两分性的解释，促进两类天体质量瘤盆地形成差异的认识。

岩石圈是火星和月球外部最坚硬的圈层结构，对作用其上的载荷具有一定的支撑作用。表面地形通常近似成作用于岩石圈的载荷，通过研究载荷加载时间的弹性厚度，可以间接推算载荷加载时期火星和月球表面的热流强度，进而对他们的热历史进行约束。除表面地形载荷外，内部剩余密度界面层或异常密度体也会导致岩石圈的挠曲，为此，我们相应地构建了两种内部载荷模型。基于岩石圈弹性薄球层模型的控制方程，综合表面载荷模型和内部载荷模型，求得不同待估参数的模型导纳谱，将其与观测导纳谱作差。参考卡方估计，以导纳谱差值作为目标函数，应用改进的粒子群算法对待估算参数进行最优估计。结果表明：改进型粒子群算法具有较强的全局搜索能力，可以避免局部解问题的早熟现象；内部载荷界面层模型较适用于月球物性参数反演，而内部异常密度体模型较适用于火星物性参数反演；月球背面Moscoviense质量瘤盆地的弹性厚度远小于正面质量瘤盆地，可能与该盆地发生的二次撞击事件有关；火星质量瘤盆地Isidis的弹性厚度最优值为49 km或110 km，参考火星壳层密度较小的结果，Isidis区域49 km的弹性厚度具有一定的可能性，该结果可能与Isidis剧烈的撞击有关，也可能与火星早期强大的热流密度有关。项目研制的改进型粒子群算法因良好的全局搜索能力，可以在地球物理和行星物理的重力及电磁反演中广泛应用，具一定的实用价值。火星和月球内部载荷的差异，可能与他们的形成机制及物理过程有关，对探索行星演化机制具有一定的参考价值。月球Moscoviense和火星Isidis区域弹性厚度的反演，对研究其他行星及其天然卫星撞击盆地的成因及早期表面热流分布具有一定的参考价值。研究基于光照、浅层温度和坡度给出的Shackleton着陆位置，对未来“嫦娥7号”着陆采样任务的实施具有一定的借鉴作用。