月震記錄是探測(cè)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最直接資料。然而，受限于月表惡劣的觀測(cè)環(huán)境，月震數(shù)據(jù)中存在大量由溫度劇烈變化等因素引發(fā)的異常信號(hào)（圖1），嚴(yán)重影響月震數(shù)據(jù)的分析與解譯。例如，在月球日出和日落附近，數(shù)小時(shí)內(nèi)通常會(huì)記錄到數(shù)百個(gè)異常信號(hào)（圖1a、圖1c）。因此，研究這些異常信號(hào)的形態(tài)、特征、分布規(guī)律和產(chǎn)生原因，可以為觀測(cè)階段減少異常信號(hào)的出現(xiàn)、分析階段壓制異常信號(hào)的干擾提供重要參考，以期為未來(lái)我國(guó)嫦娥7號(hào)月震儀的觀測(cè)實(shí)施與數(shù)據(jù)處理提供有益幫助。
圖1 月球和火星異常信號(hào)示例。（a-d）為阿波羅月震儀記錄的波形片段，分別對(duì)應(yīng)月球日出、白天、日落與夜間的各 2 小時(shí)波形；（e-g）是阿波羅月震記錄中大量出現(xiàn)的幾類異常信號(hào)，本質(zhì)上是加速度階躍和脈沖信號(hào)；(h)是校準(zhǔn)信號(hào)示例；圖e與圖f的波形與校準(zhǔn)信號(hào)圖h相似。圖i-圖l是火星異常信號(hào)示例。紅色箭頭指向異常信號(hào)的位置
為此，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所劉欣博士、肖卓偉博士后和導(dǎo)師李娟研究員，結(jié)合深度學(xué)習(xí)方法和模板匹配技術(shù)，對(duì)阿波羅任務(wù)獲取的月震數(shù)據(jù)中加速度型異常信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分類，揭示出與月球晝夜和季節(jié)周期相關(guān)的時(shí)間分布模式（圖2）。加速度型異常信號(hào)主要集中出現(xiàn)在月球的日出和日落時(shí)段，很可能是由溫度的快速變化引起的。此外，在白天觀測(cè)到的加速度型異常信號(hào)，與月食現(xiàn)象或儀器附近物體產(chǎn)生的陰影有關(guān)。值得注意的是，他們還檢測(cè)到具有橢圓偏振特性的加速度型異常信號(hào)（圖3），這一特征與火星上基本呈線性偏振的異常信號(hào)不同，值得進(jìn)一步研究。
研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的加速度型異常信號(hào)目錄顯示，異常信號(hào)的產(chǎn)生普遍與溫度變化相關(guān)。盡管阿波羅任務(wù)布設(shè)的月震儀配備了隔熱罩與夜間加熱器等設(shè)備，其異常信號(hào)的出現(xiàn)峰值仍然對(duì)應(yīng)儀器溫度快速變化的時(shí)段（月球日出、日落、月食發(fā)生等時(shí)段）。其中，月食導(dǎo)致的異常信號(hào)為首次相關(guān)報(bào)道。由于月食引發(fā)的儀器溫度變化較日出日落更為急劇，在未來(lái)月震觀測(cè)中應(yīng)引起注意。
圖2?阿波羅任務(wù)的四個(gè)臺(tái)站分別檢測(cè)到的加速度型異常信號(hào)的時(shí)間分布（a-d分別對(duì)應(yīng)12，14，15，16號(hào)臺(tái)站）。x?軸表示一個(gè)平均月球日（折合地球時(shí)間為29.53天，約為?708.72?小時(shí)），y?軸表示自1969.12 .12以來(lái)的月球日天數(shù)。異常信號(hào)發(fā)生次數(shù)以?1?小時(shí)為一個(gè)區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。顏色反映了每個(gè)區(qū)間內(nèi)的異常信號(hào)數(shù)量，從深藍(lán)色到黃色表示數(shù)量由少到多，沒(méi)有異常信號(hào)的區(qū)間顯示為白色（包含數(shù)據(jù)缺失）。大面積白色區(qū)域（自1969.12 .12的第60到90個(gè)月球日）是儀器處于平坦模式運(yùn)行的時(shí)期
圖3?校準(zhǔn)信號(hào)與12號(hào)站橢圓偏振的加速度型異常信號(hào)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比。（a）校準(zhǔn)信號(hào)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況；（b）12號(hào)站橢圓偏振的加速度型異常信號(hào)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況（1972.08.04日落附近）?！癆zi”表示方位角
此外，他們發(fā)現(xiàn)不同臺(tái)站的異常信號(hào)分布模式存在較大差異，可能來(lái)自于臺(tái)站選址和儀器部署的影響。例如，阿波羅14號(hào)臺(tái)站日出日落時(shí)的異常信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、儀器溫度變化復(fù)雜，主要由周圍設(shè)備陰影投射到月震儀上所引發(fā)。這提示在可能的情況下，未來(lái)月震觀測(cè)任務(wù)需要考慮觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部多種儀器布設(shè)時(shí)的相互影響。此外，考慮到日出日落時(shí)期溫度劇烈變化產(chǎn)生大量異常信號(hào)（圖1a、圖1c），未來(lái)月震觀測(cè)任務(wù)可以在異常信號(hào)發(fā)生高峰時(shí)期戰(zhàn)略性地關(guān)閉儀器/待機(jī)，以節(jié)省能源，增長(zhǎng)有效觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)阿波羅任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，此策略可能增加~25%-35%的有效觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)。
綜上，研究通過(guò)分析阿波羅月震數(shù)據(jù)，構(gòu)建了加速度型異常信號(hào)目錄，揭示了12、14、15、16四個(gè)臺(tái)站的加速度型異常信號(hào)的分布模式，增進(jìn)了對(duì)月球極端環(huán)境如何影響月震觀測(cè)的認(rèn)識(shí)，有助于未來(lái)月震觀測(cè)的順利開(kāi)展以及觀測(cè)資料的分析解譯。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊JGR: Planets（劉欣,肖卓偉,李娟*. Acceleration‐related glitch patterns in apollo seismic data and implications for future lunar seismic observation[J].?Journal of Geophysical Research: Planets,2025,130: e2025JE009277. DOI:?10.1029/2025JE009277.）。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42230111）和中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904）聯(lián)合資助。
劉欣（博士生）