月球和水星是內太陽系天體中大小相近、表面形態相似的兩個天體。由於二者的基本物理特徵相似(如均無大氣、均具有矽酸質殼層),前人常類比月球和水星上的相似地質過程,以更徹底的瞭解其基本物理規律。 釐定月球表面地質單元的地層年代具有岩石樣品年齡作為約束,最年輕的月球地層年代是哥白尼紀,起始於-800Ma前的哥白尼撞擊事件。月球上具有明亮濺射紋的撞擊坑大多形成於哥白尼紀。相比之下,水星表面地質單元的地層年代是引用月球地層年代的分類原則建立的。由於沒有水星樣品作為約束,每個水星地層的絕對起止時間存在極大的不確定性。柯伊伯紀被認為是水星表面最年輕的地層年代,以水星表面的柯伊伯撞擊坑命名。柯伊伯紀與月球上的哥白尼紀相對應,前人一般認為柯伊伯紀起始於-800Ma。水星上具有濺射紋的撞擊坑形成於該時期。以往對月球與水星地質演化歷史的研究認為：自大約800Ma以來,水星和月球表面的內生型地質活動已基本停止,外來天體的撞擊作用基本上是水星和月球表面最主要的地質過程。 近年來成功入軌的月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter; LRO)和水星信使號飛船(MErcury Surface, Space ENviroment, GEochemistry, and Ranging; MESSENGER)獲取了價值巨大的探測資料,極大的增進了行星地質學界對這兩個天體的認識。更重要的是,透過對比月球與水星以及其他天體上的相似地質過程,對了解太陽系天體表面地質演化的規律提供了極為重要的視窗。利用以往探測器(尤其是LRO和MESSENGER)獲取的影像、光譜、重力場和鐳射高度計資料,本文在月球和水星表面發現了非常年輕的地質活動。其中,有些發現改變了前人對月球和水星熱演化史和地質演化史的認識,例如水星表面柯伊伯紀的爆發型火山活動、水星殼層揮發分活動、月球全球發育的哥白尼紀坡面塊體運動等；有些發現則加深了對天體表面(包括地球)的地質過程的基本規律的認識,例如透過類比月球哥白尼紀和水星柯伊伯紀的撞擊熔融內發育的冷凝裂隙,為研究天體表面柱狀節理的成因機制提供了另一扇視窗。 總體而言,本文以水星柯伊伯紀和月球哥白尼紀的各種表面地質活動為研究物件,分別分析了其地質過程及其指示意義。本文的具體研究內容及結論包括： (1)更新了水星曼蘇爾紀以來的地層年代的起止時間。首先統計了水星全球具有濺射紋的撞擊坑以及中低緯度的形態學第一類撞擊坑(包括具有濺射紋的撞擊坑)。在驗證資料庫的完整性之後,利用撞擊坑統計技術,避開相關干擾因素,採用最新獲取的水星撞擊坑產生方程和年代方程,計算了水星形態學第一類撞擊坑坑群所代表的絕對模式年齡,大約為1.26Ga,這些撞擊坑形成於曼蘇爾紀；水星上所有具有濺射紋的撞擊坑的絕對模式年齡大約為159Ma,其中具有明亮濺射紋的撞擊坑的絕對模式年齡大約為40-60Ma。因此可將水星柯伊伯紀的起始時間劃在-159Ma前。 (2)本文在月球哥白尼撞擊坑南東側的連續濺射毯上發現一處由數十條小型地塹組成的複雜地塹系統,並以此為出發點研究了月球表面的年輕構造與岩漿活動的可能性。這些地塹從地層切割的角度證實儘管月球在哥白尼紀處於全球收縮的擠壓背景下,月球表面依然可形成伸展構造。這套地塹系統的獨特之處在於,其位於一個區域性的地形隆起上,周圍未見明顯的與之相關的擠壓構造,且該區域具有巨大的自由空氣與布格重力異常。透過分析這些地塹的形態和幾何特徵,本文分析了形成其拉伸應力的可能來源,重點討論了最近提出的月球哥白尼紀淺層岩漿侵入的假說。岩漿侵入的理論模型計算和類比研究證明：這套地塹系統不太可能是由於淺層岩漿侵入造成區域性地勢隆起而形成的。由於月球持續全球收縮,隱伏逆衝斷層活動以及月震更可能是形成這些地塹的原因。 (3)利用LRO獲取的高解析度影像資料,論文發現月球全球正在發生大量形式多樣的塊體運動。雖然月球表面缺乏流水或大氣,這些塊體運動的形貌與地球上的極其相似,有些具有低粘度的流動特徵。基於300多個月球表面塊體運動的樣例,建立了每個樣例的形貌、尺度、所在地質單元的坡度和年齡的資料庫。結果發現坡面塊體運動是改造月球表面區域性地貌的重要地質過程。塊體運動透過削高補低,最終夷平月面的地勢差。塊體運動與撞擊作用是決定月面區域尺度的月壤厚度的最重要因素,對區域的撞擊坑密度存在一定的影響。酒海紀和前酒海紀的地貌代表了月球表面地貌演化的最終階段,只有月壤蠕移在其中形成。 (4)在水星上發現了幾處曼蘇爾紀的小範圍表面岩漿事件形成的平原物質。這些平原物質覆蓋了周圍形態學第一類撞擊坑的濺射物,表明水星表面的岩漿活動至少持續到了1.26Ga。另外,水星上有多處柯伊伯紀的爆發型火山口,其產生的火成碎屑沉積物覆蓋了附近具有濺射紋的撞擊坑。表明水星幔部的熔融物在柯伊伯紀依然具有極高的揮發分含量,且水星內部的熱活躍程度和殼層厚度尚不足以阻礙表面火山活動的形成。這些發現與以往對水星演化的認識截然不同。另外,水星上大部分的爆發型火山活動形成的火山口和火成碎屑沉積物的反照率比水星的全球平均反照率高,在紫外到近紅外波段的反照率光譜曲線斜率相對較陡。與之相反,一些柯伊伯紀的火成碎屑沉積物和火山口的反照率比水星的平均反照率低,表明其物質成分或物理性質不同。這對了解水星內部物質的成分演化具有重要的指示意義。 (5)前人一般認為水星自晚期大轟擊結束後,也即大約3.8Ga左右,表面的擠壓構造單元不再形成。本文在水星表面發現了一些切割形態學第一類撞擊坑的、長達數十千米的葉片狀懸崖,有些大型葉片狀懸崖也可能切割具有濺射紋的柯伊伯紀的撞擊坑。另外,在水星表面發現了一些較小的葉片狀懸崖切割柯伊伯紀的小型撞擊坑,表明水星全球收縮在柯伊伯紀依然存在。對比水星上大型平原物質和大型葉片狀懸崖的相對年齡,可發現由於水星持續全球收縮導致殼層增厚,阻礙了水星幔部的熔融物大量上湧,水星表面的大範圍岩漿事件在大約1.26-3.8Ga之間停止。 (6)在水星上發現了大量與揮發分活動有關的地貌單元：白暈凹陷和暗斑。本文分析了其形貌、大小、全球分佈特徵、光譜特徵、地層年齡、可能的物質成分以及可能的成因機制。白暈凹陷與暗斑發育在除高反照率平坦平原物質之外的所有地貌上。白暈凹陷是形態不規則的、無隆起邊緣的、較淺的凹陷,周緣常由高反照率的暈狀物質環繞,其反照率大於水星濺射紋的反照率。高解析度影像資料揭示這些暈狀物質上是由高反照率的小型凹陷連線形成的。內部和周圍反照率均比背景地質單元高的白暈凹陷可能依然處於活躍狀態,而較老的白暈凹陷則不具有高的反照率。暗斑是圍繞白暈凹陷發育的薄層狀低反照率物質,其反照率是目前水星上最低的。每個暗斑中心都發育有白暈凹陷,相反,並非每個水星白暈凹陷周圍都有暗斑。暗斑可能是透過劇烈的富含揮發分的物質以100米/秒左右的速度噴出以脫氣作用形成的。與此同時,揮發分的出口形成一個原始的白暈凹陷,後凹陷逐漸、緩慢地側向和垂向生長出現白暈。白暈凹陷也是殼層內富含揮發分的物質不斷散失而生長擴張的,但其生長速度遠小於暗斑的形成速度。暗斑物質極不穩定,其存活時間小於水星表面撞擊濺射紋的存活時間,因而所有觀察到的水星暗斑可能都形成於柯伊伯紀。形成暗斑與白暈凹陷的揮發分物質都富硫,造成二者反照率的差異可能是其物質成分和/或顆粒物理性質不同。 (7)月球哥白尼紀和水星柯伊伯紀的撞擊坑底形成了大量新鮮的撞擊熔融。這些撞擊熔融是透過熱輻射方式冷卻的,冷凝過程中形成的拉張應力造成岩石破裂形成冷凝裂隙。透過分析月球和水星撞擊熔融中的冷凝裂隙的形態、大小和組合樣式,本文發現撞擊熔融的深度、固體碎屑物在撞擊熔融中的含量以及撞擊熔融冷凝過程中的垂直沉降量控制了裂隙的發育。將月球和水星上的冷凝裂隙與火星和地球上的柱狀節理相比,可發現熱輻射造成的冷凝速率可能不足以形成柱狀節理,熱對流和/或熱傳導是形成柱狀節理的主要散熱方式,揮發分可能在所有天體表面的柱狀節理的形成過程中必不可少。 (8)月球和水星上的平均撞擊速度和表面重力加速度不同。對比月球和水星上的撞擊坑,可分析撞擊過程中的主控因素。本文測量並對比了水星和月球上一些形態學第一類複雜撞擊坑的外部沉積物(包括連續濺射沉積物和連續二次撞擊坑相)的形態與大小,研究了撞擊挖掘階段的主控因素。與前人的研究結果相似,本文證實重力是複雜撞擊坑形成過程的挖掘階段的一個主控因素。另外,本文發現撞擊速度在撞擊挖掘過程中也起到不可忽視的作用。不同於典型的月球二次撞擊坑,有些水星撞擊坑形成了大量分佈相對離散的圓形二次撞擊坑。分析其原因表明水星區域性區域和層位的物質具有獨特的物性,影響了撞擊挖掘過程中的濺射角度。該物質特性很可能與水星殼層內部富含揮發分的低反照率物質有關。 (9)在太陽系天體表面,撞擊坑內的中央凹陷一般歸因於被撞擊體中的水冰等揮發分對撞擊過程的影響。由於月球和水星的殼層內相對缺乏揮發分,前人一般認為水星和月球撞擊坑中不存在中央凹陷。本文在一些月球撞擊坑和水星撞擊坑內(包括哥白尼紀和柯伊伯紀的撞擊坑)發現了中央凹陷。透過建立其形態、大小、年齡、和分佈位置的資料庫,本文對比了水星和月球與其他天體上的撞擊坑內的中央凹陷,並提出形成月球和水星撞擊坑的中央凹陷不需要揮發分,而與撞擊過程自身有關。
月球和水星是內太陽系天體中大小相近、表面形態相似的兩個天體。由於二者的基本物理特徵相似(如均無大氣、均具有矽酸質殼層),前人常類比月球和水星上的相似地質過程,以更徹底的瞭解其基本物理規律。 釐定月球表面地質單元的地層年代具有岩石樣品年齡作為約束,最年輕的月球地層年代是哥白尼紀,起始於-800Ma前的哥白尼撞擊事件。月球上具有明亮濺射紋的撞擊坑大多形成於哥白尼紀。相比之下,水星表面地質單元的地層年代是引用月球地層年代的分類原則建立的。由於沒有水星樣品作為約束,每個水星地層的絕對起止時間存在極大的不確定性。柯伊伯紀被認為是水星表面最年輕的地層年代,以水星表面的柯伊伯撞擊坑命名。柯伊伯紀與月球上的哥白尼紀相對應,前人一般認為柯伊伯紀起始於-800Ma。水星上具有濺射紋的撞擊坑形成於該時期。以往對月球與水星地質演化歷史的研究認為：自大約800Ma以來,水星和月球表面的內生型地質活動已基本停止,外來天體的撞擊作用基本上是水星和月球表面最主要的地質過程。 近年來成功入軌的月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter; LRO)和水星信使號飛船(MErcury Surface, Space ENviroment, GEochemistry, and Ranging; MESSENGER)獲取了價值巨大的探測資料,極大的增進了行星地質學界對這兩個天體的認識。更重要的是,透過對比月球與水星以及其他天體上的相似地質過程,對了解太陽系天體表面地質演化的規律提供了極為重要的視窗。利用以往探測器(尤其是LRO和MESSENGER)獲取的影像、光譜、重力場和鐳射高度計資料,本文在月球和水星表面發現了非常年輕的地質活動。其中,有些發現改變了前人對月球和水星熱演化史和地質演化史的認識,例如水星表面柯伊伯紀的爆發型火山活動、水星殼層揮發分活動、月球全球發育的哥白尼紀坡面塊體運動等；有些發現則加深了對天體表面(包括地球)的地質過程的基本規律的認識,例如透過類比月球哥白尼紀和水星柯伊伯紀的撞擊熔融內發育的冷凝裂隙,為研究天體表面柱狀節理的成因機制提供了另一扇視窗。 總體而言,本文以水星柯伊伯紀和月球哥白尼紀的各種表面地質活動為研究物件,分別分析了其地質過程及其指示意義。本文的具體研究內容及結論包括： (1)更新了水星曼蘇爾紀以來的地層年代的起止時間。首先統計了水星全球具有濺射紋的撞擊坑以及中低緯度的形態學第一類撞擊坑(包括具有濺射紋的撞擊坑)。在驗證資料庫的完整性之後,利用撞擊坑統計技術,避開相關干擾因素,採用最新獲取的水星撞擊坑產生方程和年代方程,計算了水星形態學第一類撞擊坑坑群所代表的絕對模式年齡,大約為1.26Ga,這些撞擊坑形成於曼蘇爾紀；水星上所有具有濺射紋的撞擊坑的絕對模式年齡大約為159Ma,其中具有明亮濺射紋的撞擊坑的絕對模式年齡大約為40-60Ma。因此可將水星柯伊伯紀的起始時間劃在-159Ma前。 (2)本文在月球哥白尼撞擊坑南東側的連續濺射毯上發現一處由數十條小型地塹組成的複雜地塹系統,並以此為出發點研究了月球表面的年輕構造與岩漿活動的可能性。這些地塹從地層切割的角度證實儘管月球在哥白尼紀處於全球收縮的擠壓背景下,月球表面依然可形成伸展構造。這套地塹系統的獨特之處在於,其位於一個區域性的地形隆起上,周圍未見明顯的與之相關的擠壓構造,且該區域具有巨大的自由空氣與布格重力異常。透過分析這些地塹的形態和幾何特徵,本文分析了形成其拉伸應力的可能來源,重點討論了最近提出的月球哥白尼紀淺層岩漿侵入的假說。岩漿侵入的理論模型計算和類比研究證明：這套地塹系統不太可能是由於淺層岩漿侵入造成區域性地勢隆起而形成的。由於月球持續全球收縮,隱伏逆衝斷層活動以及月震更可能是形成這些地塹的原因。 (3)利用LRO獲取的高解析度影像資料,論文發現月球全球正在發生大量形式多樣的塊體運動。雖然月球表面缺乏流水或大氣,這些塊體運動的形貌與地球上的極其相似,有些具有低粘度的流動特徵。基於300多個月球表面塊體運動的樣例,建立了每個樣例的形貌、尺度、所在地質單元的坡度和年齡的資料庫。結果發現坡面塊體運動是改造月球表面區域性地貌的重要地質過程。塊體運動透過削高補低,最終夷平月面的地勢差。塊體運動與撞擊作用是決定月面區域尺度的月壤厚度的最重要因素,對區域的撞擊坑密度存在一定的影響。酒海紀和前酒海紀的地貌代表了月球表面地貌演化的最終階段,只有月壤蠕移在其中形成。 (4)在水星上發現了幾處曼蘇爾紀的小範圍表面岩漿事件形成的平原物質。這些平原物質覆蓋了周圍形態學第一類撞擊坑的濺射物,表明水星表面的岩漿活動至少持續到了1.26Ga。另外,水星上有多處柯伊伯紀的爆發型火山口,其產生的火成碎屑沉積物覆蓋了附近具有濺射紋的撞擊坑。表明水星幔部的熔融物在柯伊伯紀依然具有極高的揮發分含量,且水星內部的熱活躍程度和殼層厚度尚不足以阻礙表面火山活動的形成。這些發現與以往對水星演化的認識截然不同。另外,水星上大部分的爆發型火山活動形成的火山口和火成碎屑沉積物的反照率比水星的全球平均反照率高,在紫外到近紅外波段的反照率光譜曲線斜率相對較陡。與之相反,一些柯伊伯紀的火成碎屑沉積物和火山口的反照率比水星的平均反照率低,表明其物質成分或物理性質不同。這對了解水星內部物質的成分演化具有重要的指示意義。 (5)前人一般認為水星自晚期大轟擊結束後,也即大約3.8Ga左右,表面的擠壓構造單元不再形成。本文在水星表面發現了一些切割形態學第一類撞擊坑的、長達數十千米的葉片狀懸崖,有些大型葉片狀懸崖也可能切割具有濺射紋的柯伊伯紀的撞擊坑。另外,在水星表面發現了一些較小的葉片狀懸崖切割柯伊伯紀的小型撞擊坑,表明水星全球收縮在柯伊伯紀依然存在。對比水星上大型平原物質和大型葉片狀懸崖的相對年齡,可發現由於水星持續全球收縮導致殼層增厚,阻礙了水星幔部的熔融物大量上湧,水星表面的大範圍岩漿事件在大約1.26-3.8Ga之間停止。 (6)在水星上發現了大量與揮發分活動有關的地貌單元：白暈凹陷和暗斑。本文分析了其形貌、大小、全球分佈特徵、光譜特徵、地層年齡、可能的物質成分以及可能的成因機制。白暈凹陷與暗斑發育在除高反照率平坦平原物質之外的所有地貌上。白暈凹陷是形態不規則的、無隆起邊緣的、較淺的凹陷,周緣常由高反照率的暈狀物質環繞,其反照率大於水星濺射紋的反照率。高解析度影像資料揭示這些暈狀物質上是由高反照率的小型凹陷連線形成的。內部和周圍反照率均比背景地質單元高的白暈凹陷可能依然處於活躍狀態,而較老的白暈凹陷則不具有高的反照率。暗斑是圍繞白暈凹陷發育的薄層狀低反照率物質,其反照率是目前水星上最低的。每個暗斑中心都發育有白暈凹陷,相反,並非每個水星白暈凹陷周圍都有暗斑。暗斑可能是透過劇烈的富含揮發分的物質以100米/秒左右的速度噴出以脫氣作用形成的。與此同時,揮發分的出口形成一個原始的白暈凹陷,後凹陷逐漸、緩慢地側向和垂向生長出現白暈。白暈凹陷也是殼層內富含揮發分的物質不斷散失而生長擴張的,但其生長速度遠小於暗斑的形成速度。暗斑物質極不穩定,其存活時間小於水星表面撞擊濺射紋的存活時間,因而所有觀察到的水星暗斑可能都形成於柯伊伯紀。形成暗斑與白暈凹陷的揮發分物質都富硫,造成二者反照率的差異可能是其物質成分和/或顆粒物理性質不同。 (7)月球哥白尼紀和水星柯伊伯紀的撞擊坑底形成了大量新鮮的撞擊熔融。這些撞擊熔融是透過熱輻射方式冷卻的,冷凝過程中形成的拉張應力造成岩石破裂形成冷凝裂隙。透過分析月球和水星撞擊熔融中的冷凝裂隙的形態、大小和組合樣式,本文發現撞擊熔融的深度、固體碎屑物在撞擊熔融中的含量以及撞擊熔融冷凝過程中的垂直沉降量控制了裂隙的發育。將月球和水星上的冷凝裂隙與火星和地球上的柱狀節理相比,可發現熱輻射造成的冷凝速率可能不足以形成柱狀節理,熱對流和/或熱傳導是形成柱狀節理的主要散熱方式,揮發分可能在所有天體表面的柱狀節理的形成過程中必不可少。 (8)月球和水星上的平均撞擊速度和表面重力加速度不同。對比月球和水星上的撞擊坑,可分析撞擊過程中的主控因素。本文測量並對比了水星和月球上一些形態學第一類複雜撞擊坑的外部沉積物(包括連續濺射沉積物和連續二次撞擊坑相)的形態與大小,研究了撞擊挖掘階段的主控因素。與前人的研究結果相似,本文證實重力是複雜撞擊坑形成過程的挖掘階段的一個主控因素。另外,本文發現撞擊速度在撞擊挖掘過程中也起到不可忽視的作用。不同於典型的月球二次撞擊坑,有些水星撞擊坑形成了大量分佈相對離散的圓形二次撞擊坑。分析其原因表明水星區域性區域和層位的物質具有獨特的物性,影響了撞擊挖掘過程中的濺射角度。該物質特性很可能與水星殼層內部富含揮發分的低反照率物質有關。 (9)在太陽系天體表面,撞擊坑內的中央凹陷一般歸因於被撞擊體中的水冰等揮發分對撞擊過程的影響。由於月球和水星的殼層內相對缺乏揮發分,前人一般認為水星和月球撞擊坑中不存在中央凹陷。本文在一些月球撞擊坑和水星撞擊坑內(包括哥白尼紀和柯伊伯紀的撞擊坑)發現了中央凹陷。透過建立其形態、大小、年齡、和分佈位置的資料庫,本文對比了水星和月球與其他天體上的撞擊坑內的中央凹陷,並提出形成月球和水星撞擊坑的中央凹陷不需要揮發分,而與撞擊過程自身有關。