2013年12月14日，我國的嫦娥三號探測器順利著陸于月球雨海盆地北部年青（約25億年）的玄武巖流上，它隨后開啟了著陸器就位探測和"玉兔"月球車巡視探測，使我國成為世界上第三個獨立實施月球軟著陸的國家。除全景相機外，"玉兔"月球車還攜帶了其它三個科學(xué)載荷，分別是探月雷達、可視-近紅外成像光譜儀和粒子激發(fā)X射線譜儀。在正常工作的兩個月晝內(nèi)，它對月壤進行了2次粒子激發(fā)X射線譜分析和4次可見-近紅外成像光譜分析，并獲取了1條近百米長的測月雷達剖面（圖1）。
圖1 嫦娥三號著陸區(qū)和玉兔號月球車探測軌跡。
A和B是著陸區(qū)內(nèi)兩個較大的撞擊坑。紅色五角星代表嫦娥三號著陸位置，黑色線條為玉兔號的探測軌跡。LS1和LS2分別指示2次粒子激發(fā)X射線譜分析位置，CD5~8指示4次可視-近紅外成像光譜分析位置。
為了"出好成果、快出成果、多出成果"，中國科學(xué)院月球與深空探測總體部組織院內(nèi)外科學(xué)家，成立了5個科學(xué)應(yīng)用研究核心團隊。"嫦娥三號任務(wù)月球區(qū)域地球化學(xué)與構(gòu)造動力學(xué)演化模型"團隊，在責(zé)任科學(xué)家中科院地質(zhì)與地球物理所林楊挺研究員的帶領(lǐng)下，與月球車載荷研制單位（中科院電子所、高能物理所、上海技物所等）和月球探測地面應(yīng)用系統(tǒng)密切配合，建立了3個科學(xué)探測載荷的數(shù)據(jù)處理方法，獲取了著陸區(qū)月壤的化學(xué)組成、礦物組成、月壤厚度及其下覆三套玄武巖（深度分別195米、215米和345米）等系列成果，揭示了雨海盆地多次大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)的歷史。
核心團隊從可見-近紅外成像光譜數(shù)據(jù)解譯出著陸區(qū)月壤的礦物組成、光學(xué)成熟度、以及FeO和TiO2含量，其中礦物組成與阿波羅月海盆地的月壤樣品類似。從粒子激發(fā)X射線能譜獲得了月壤12種元素的準確含量，與阿波羅月海月壤樣品相比，著陸區(qū)月壤含有高的FeO（21.3–22.1 wt%）和TiO2（4.0–4.3 wt%），低的Al2O3（10.5–11.5 wt%），說明下覆玄武巖是一種新的類型。特別重要的是，月壤成分中的次要元素K和微量元素Zr、Y和Nb的含量，指示了該玄武巖可能混入了10-20%的克里普組分（KREEP，高度富集K、REE和P，代表月球巖漿洋結(jié)晶最后殘留的熔體）。基于玉兔的探測結(jié)果，該玄武巖可能由富Fe-Ti的月幔源區(qū)部分熔融形成，然后在上侵過程中受到月殼底部的克里普巖層混雜，最后溢出月表充填到雨海盆地。同樣重要的是，測月雷達探測到這一年青的玄武巖單元厚達195米，說明在晚至25億年左右，雨海盆地仍有大規(guī)模的火山噴發(fā)。該區(qū)域的火山活動能持續(xù)很晚的原因，可能是雨海-風(fēng)瀑洋地區(qū)富集了放射性元素U、Th和K。
此外，玉兔號也是首次利用雷達在月表實測月壤厚度。借用地震勘探領(lǐng)域的瞬時頻譜分析和偏移成像等信號處理技術(shù)，獲得了著陸區(qū)的月壤厚度結(jié)構(gòu)和厚度。雷達信息剖面顯示，月壤具有分層結(jié)構(gòu)，其頂部分層厚約0.7米、均一且貧石塊，而底界有一定的起伏，平均厚度約5米（圖2）。由于月壤是小行星撞擊月表巖石形成，其厚度與年齡正相關(guān)。著陸區(qū)的年齡明顯小于其他月海區(qū)域，但實測厚度明顯大于后者的估算值（2-4米），說明全月球的月壤厚度可能被低估。由于氦-3和氫等重要資源主要賦存于月壤，這一結(jié)果對這些重要資源量的估算有較大的影響。
圖2 探月雷達高頻通道獲取的著陸區(qū)月壤剖面。
黑色粗線為上層細粒"月塵"層底界，紅色曲線為月壤的底界面，空心圓點為時頻分析給出的月壤與基巖分界點。虛線為5米深度。
不同于返回月球樣品的實驗室分析，玉兔是在月表對原始產(chǎn)狀的月壤做就位的化學(xué)組成和光譜分析，其結(jié)果可作為月球軌道遙感探測數(shù)據(jù)的校正標準，從而解譯出全月球的化學(xué)和礦物組成。
該研究成果于2015年4月14日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America（Zhang et al. Volcanic History of the Imbrium Basin: A Close-up View from the Lunar Rover Yutu. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, 2015, doi:10.1073/pnas.1503082112）。
原文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2015/04/08/1503082112（）