基于多源遥感数据的弯曲月溪形貌特征解译

李 力，刘少峰，韦 蔚，奚晓旭，杜守印

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083;3.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083)

基于多源遥感数据的弯曲月溪形貌特征解译

李 力1，2，刘少峰1，2，韦 蔚1，2，奚晓旭1，2，杜守印3

(1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083;2.地质过程与矿产资源国家重点实验室，北京 100083;3.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083)

弯曲月溪是月球火山作用的产物，其形貌特征可以反映月海玄武岩的喷发历史和演化结果。基于最新高分辨率遥感月表图像和高精度DEM数据，分析月球Aristarchus地区弯曲月溪的形貌特征;结合Clementine UV/VIS多光谱图像的波段比值合成图像，分析月溪的物质成分。研究结果支持弯曲月溪的玄武岩熔岩流热侵蚀成因，表明研究区内的弯曲月溪具有相同的物源特征，月表坡度是控制月溪的主要因素。

弯曲月溪;Aristarchus地区;形貌特征;热侵蚀;坡度

0 引言

月溪(rille)是在月表广泛分布的线状负地形。基于形态和成因差异，月溪分为弧状月溪(arcuate rilles)、直月溪(straight rilles)和弯曲月溪(sinuous rilles)［1－2］。弧状月溪和直月溪是构造成因的月球地堑(lunar graben)，其形成与月海盆地沉降产生的局部张应力或月全球热应力有关［3－4］;而弯曲月溪的发育特征蕴涵了月球火山活动的丰富信息。

关于月球弯曲月溪的研究，Schubert等［5］基于月球轨道环行器(lunar obiter)遥感图像描述了月球正面100余条弯曲月溪的形态特征，推测弯曲月溪是干涸的水蚀渠道;而Apollo探月工程采集的月岩样本证实了月球的缺水状态和月海玄武岩的火山起源，相关学者逐步认为弯曲月溪是月海火山作用的产物，其中 Greeley［6］和 Gornitz［7］指出弯曲月溪形成于塌陷的熔岩管或熔岩渠道，Hulme［8］和 Carr［9］认为弯曲月溪是由熔岩流下切基岩产生;近期的研究则认为弯曲月溪由低粘度熔岩流根据月表地形和构造特征流动形成［10－11］，但对弯曲月溪形成过程中起主导作用的是热侵蚀还是区域构造作用的问题一直存在争议。

近年来，嫦娥一号(CE－1)、月亮女神(Kaguya)和月球勘测轨道器(lunar reconnaissance orbiter，LRO)获取的高分辨率月表图像和高精度DEM数据，为详细研究弯曲月溪的形貌特征提供了数据支持。本文以月球风暴洋内部的Aristarchus地区为研究对象，基于多源遥感图像分析了弯曲月溪的形貌特征和物质组成，进而评估热侵蚀和其他因素在弯曲月溪形成过程中所起的作用。

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

月表火山特征集中的区域大多位于月海盆地，尤其在风暴洋地区最为显著。图1示出的本文研究区是月球上的Aristarchus地区，该区位于风暴洋东北部、雨海盆地西侧(W 38°～60°，N 16°～34°)，由Aristarchus高地和Harbinger山脉组成，是弯曲月溪分布最密集的地区之一。

图1 月球Aristarchus地区嫦娥一号CCD图像(左)与月溪分布简图(右)(地图投影为中央经线为0°的Mercator投影;坐标系统为GCS_Moon_2000;经度为西经，纬度为北纬)Fig.1 CE －1 CCD image(left)and sketch map of rilles(right)of Aristarchus region on the moon

Aristarchus高地位于风暴洋的广阔熔岩内，是海拔高出周围月海近2 km的矩形倾斜地块。在月表图像上，该区反射率高、地形复杂的火山喷出物与其外围反射率低、地形平坦的熔岩表面形成了鲜明对比。Aristarchus撞击坑(直径42 km，深3.7 km，地质时代为哥白尼纪)位于Aristarchus高地东南部，是月表反射率最高的单元;该撞击坑西北部分布着月球最大的弯曲月溪(Schröteri月溪)，北部则是由数条弯曲月溪组成的Aristarchus月溪系统(图1(左))。

Harbinger山脉地区毗邻Aristarchus高地东侧，大致沿雨海盆地环结构分布;该区内Prinz撞击坑(直径42 km，地质时代为雨海纪)的北部密集分布4条弯曲月溪，从西向东依次是Prinz月溪、Beethoven月溪、Handel月溪和 Telemann月溪。另外，Krieger月溪发源于Krieger撞击坑的西部，Marius月溪的北段位于Aristarchus高地南部的风暴洋玄武岩表面(图1(右))。

1.2 数据源

本文使用的月球遥感数据包括:嫦娥一号探月卫星(CE－1)CCD图像(分辨率为120 m)、月球轨道激光测高仪(lunar orbiter laser altimeter，LOLA)DEM数据(分辨率为30 m)、月球勘测轨道器相机(lunar reconnaissance orbiter camera，LROC)图像(分辨率为100 m)和 Clementine紫外/可见光(UV/VIS)多光谱图像(分辨率为200 m)。

图像预处理主要包括原始图像的几何纠正、镶嵌和增强处理。研究区位于月球中低纬度地区，为最大限度地保持月表形貌特征与月表物体相对位置的对应关系，采用墨卡托投影方式将上述数据统一到相同的GCS_Moon_2000基准之上。

2 研究方法

弯曲月溪的形貌特征与月表其他线性构造(月岭、月球地堑等)存在明显差别，如果弯曲月溪由玄武岩岩浆流熔蚀月表形成，则其形貌特征和物质组成可以反映月海玄武岩的喷发历史。Aristarchus地区火山特征复杂多样，弯曲月溪分布密集，本文利用多源遥感图像从影像特征、形貌特征和物质组成3个方面对该区月溪进行解译分析。

2.1 影像特征

弯曲月溪在遥感图像上表现为暗色细长的裂隙影像。它通常起源于局部地势较高地区的类撞击坑或边界不规则的凹陷结构(火山口)，月溪渠道蜿蜒曲折，尾端点特征不显著，通常消失于周围的月海沉积物中(图2)。

图2 弯曲月溪形态特征(底图为LRO WAC(分辨率100 m)数据;A—A'，B—B'，C—C'，D—D'为剖面线位置)Fig.2 Morphological feature of sinuous rilles

与地球上的河流相比，弯曲月溪与地球河流具有渠道呈蛇曲形、顺坡流下等共同特征，但月溪缺少支流和三角洲。与地球上的熔岩渠道相比，弯曲月溪与地球熔岩渠道具有相似的火山源区特征和渠道特征，暗示两者成因的相似性;但在空间规模上，月溪的宽度、长度通常比地球熔岩渠道大一个数量级(例如，Prinz月溪长度大于85 km、宽度1～2 km，而地球上的夏威夷的熔岩渠道长度通常不足10 km、宽度仅 50 ～100 m［12］)。

2.2 形貌特征

长度、宽度、深度、区域坡度和月溪剖面反映出月溪的主要形貌特征。这些特征可以用来推测月溪形成时熔岩流的流态、流速、持续时间和侵蚀速率，进而为研究月海火山喷发状况提供信息。前人利用地基望远镜和月表遥感图像(如lunar obiter)描述月溪的数量和分布规律［5］，通过在低太阳高度下测量的阴影或使用月球正射影像地图(lunar topographic orthophotomaps，LTO) 描述月溪的形貌特征［13－14］。早期研究结果的精度和准确度受到图像分辨率和相关资料丰富程度的限制，而利用最新月球遥感数据(尤其是LOLA获取的高精度DEM)可以精确地定量分析月溪的形貌特征。

月溪剖面能够直观反映月溪的形貌特征。使用LOLA数据制作的月溪横剖面(图3，剖面线的位置见图2)显示，弯曲月溪的横剖面主要呈V状或U状，月溪壁的坡度为 8°～28°，月溪深度为80～200 m。

图3 月溪横向剖面图(使用LOLA 30 m分辨率DEM数据生成，4条横剖面的位置见图2)Fig.3 Transverse profiles of sinuous rilles

纵向剖面图是从月溪源点至端点沿月溪底部所切取的渠道和水面线间的断面，可以更全面地反映月溪的形貌特征及其变化趋势。使用LOLA数据制作的月溪纵向剖面(图4)显示，虽然月溪渠道的高程存在小规模起伏，但月溪底部地势总体呈逐步降低趋势。

图4 月溪纵向剖面图(使用LOLA 30 m分辨率DEM数据生成，4条月溪与图2对应)Fig.4 Longitudinal profiles of sinuous rilles

Prinz月溪的源区位于Prinz撞击坑北翼的地势较高处，月溪起初呈东西向流动，随后急剧北转流向高程更低的区域(图2)，在距起点距离约40 km处高程的峰值(图4)可能是由于月溪壁物质塌陷造成的;Beethoven月溪的源区类似蛇头状，月溪在流经Harbinger山脉(距起点距离约30 km处)之前地势存在小规模起伏，穿越山脉后以稳定坡度向北流动;Handel月溪和Telemann月溪底部地势逐步降低，Telemann月溪在距起点距离约10 km处高程的变化可能起因于小规模撞击坑对月溪渠道的破坏。

本文进一步计算了研究区弯曲月溪的形貌参数。沿弯曲渠道以5 km为间隔作横剖面，获取月溪各处的宽度和最大深度，然后取均值作为月溪的平均宽度和深度;将月溪等距离分为10个区段，计算每个区段流域的月表坡度，取均值作为月溪的区域坡度;弯曲度定义为月溪总长度与其直线长度的比值。弯曲月溪形貌参数的计算结果如表1所示。

表1 弯曲月溪的形貌参数Tab.1 Geometry of sinuous rilles

对上述计算结果的统计显示，研究区弯曲月溪的长度从几十km到上百km不等，长度和深度大致呈正相关，长度和宽度的相关性不明显，月溪的弯曲度介于1.0～1.5之间，月溪所在区域的月表坡度约为1.0%。

研究区不存在弯曲月溪受区域构造控制的直接证据，位于Beethoven月溪北侧和Handel月溪北段的东西走向断裂没有对月溪渠道造成影响;Aristarchus月溪和Schröteri月溪以月表地形梯度的反方向分别延伸至Aristarchus高地的北部和西部边缘，受构造作用的影响不明显。

月溪的渠道因受壁部物质塌陷和撞击坑破坏等因素的影响，存在月表地形起伏，但研究区内所有月溪的底部地势均呈沿流向逐步降低的趋势。月溪起点的高程始终大于渠道中部和端点的高程，这表明熔岩流从月溪源区流出后顺坡流动;另外，月溪纵剖面的坡度与月溪流经的月海表面坡度基本一致，这也说明坡度是控制月溪的重要因素之一。

2.3 物质组成

利用Clementine多光谱数据对月表局部区域进行矿物制图，对研究月球起源与演化具有重要意义［15］。利用Clementine UV/VIS数据可以生成波段比值图像，从而减弱由月表地形起伏和阴影等造成的照度差异的影响;对波段比值图像进行假彩色合成，则可增强显示月表物体矿物组成的特征。

Aristarchus地区表层被大量火山碎屑物质所覆盖，月溪壁部物质和撞击坑深部物质可以揭示该区亚表面的物质成分信息。为了进一步分析弯曲月溪的成因，本文对研究区进行了彩色制图，使用Clementine UV/VIS多光谱图像波段生成B750/B415(R)，B750/B950(G)，B415/B750(B)比值合成的假彩色图像，并进行了2%标准差拉伸(B750表示中心波长为750 nm的波段亮度值，余同)(图5)。

图5 Aristarchus地区Clementine UV/VIS波段比值合成假彩色图像(由B750/B415(R)，B750/B950(G)，B415/B750(B)比值合成，并进行了2%标准差拉伸;经度为西经，纬度为北纬)Fig.5 Pseudo color image of band －ratio composition from Clementine UV/VIS of Aristarchus region

波段比值合成假彩色图像反映了该区物质成分的多样性:Aristarchus高地和Harbinger山脉地区被火山碎屑物覆盖呈蓝色;风暴洋月海玄武岩表面富含钛铁矿物呈绿色;Aristarchus撞击坑揭露的月球深部物质呈淡黄色;中小规模撞击坑(壁)呈红色圆状;所有的弯曲月溪，如Prinz月溪和Beethoven月溪(图5(a))、Marius月溪(图5(b))、Aristarchus月溪(图5(c))均呈红色线条。

月表形貌格局和物源特征存在着空间耦合关系［16］，弯曲月溪的渠道在Aristarchus高地和风暴洋月海玄武岩表面呈现相同的颜色特征，这表明在月溪形成过程中，与遭受过熔岩流热侵蚀的基岩具有相同或相近的矿物组成，说明研究区的弯曲月溪具有相同的物源，暗示在Aristarchus高地表面火山碎屑物之下存在着月海玄武岩物质。McEwen等［17］通过分析直径为100～1000 m的撞击坑的开掘深度，推测Aristarchus地区表面火山碎屑物的平均厚度为10～30 m，月海玄武岩物质的最大厚度达600 m。

3 问题与讨论

3.1 关于弯曲月溪的空间规模

月球的表面环境与地球存在明显差异，弯曲月溪的空间规模明显大于地球熔岩管道的空间规模，其可能原因有:①与月球的低重力环境有关。月球的地心引力仅为地球的1/6，其火山熔岩的流动阻力较地球小，熔岩行进更为流畅;②月球熔岩流粘度较低。Murase等［18］对月岩样本的实验分析表明，在1400℃高温时，月球玄武岩熔岩流的粘度仅是地球玄武岩的1/10;③熔岩流的溢出速率和持续时间也会影响月溪的空间规模，低重力环境下的低粘度、高流速的持续熔岩流更易形成大规模的弯曲月溪。

3.2 关于熔岩流的热侵蚀作用

热侵蚀是熔岩流的热力作用熔蚀月表物质的过程。月球玄武岩岩浆的硅酸盐含量少且粘度低，如果岩浆沿平坦的裂隙涌出月表(裂隙式喷发)，则易溢散形成大面积平原;如果岩浆从火山口或倾斜面喷发(溢流型喷发)，则易在流体边缘产生堤坝，以限制熔岩流沿单一渠道流动，进而形成弯曲月溪［2］。

关于熔岩流的热侵蚀过程，Carr［9］认为月球玄武岩熔岩流以层流状(laminar flow)侵蚀下切基岩产生弯曲渠道，冷凝后形成月溪;Hulme［19］则认为大规模、低粘度熔岩流的流态较为接近湍流状(turbulent flow)，弯曲月溪是湍流状熔岩流熔蚀月表的产物。

热侵蚀形成月溪需要熔岩流有足够高的温度、溢出速率和足够长的持续时间。熔岩流在流动过程中，侵蚀、开凿基岩使月溪渠道加深加宽，垂直侵蚀速率在月溪起点处最大(温度最高)，在月溪尾端处变为零，超过这个端点月溪不再形成。

以上从遥感影像特征、月表形貌特征和物质组成3方面对月溪的热侵蚀特征进行了初步论述。弯曲月溪的火山源区特征、渠道形态和物源组成皆表明其形成伴随着熔岩流热侵蚀过程。由于实地样品和资料比较匮乏，本文仅作了探索性研究，下一步工作将尝试建立弯曲月溪的熔岩流热侵蚀模型，以深化对月球熔岩流热侵蚀过程的认识。

3.3 关于月表坡度和区域构造作用

上述分析表明，Aristarchus地区弯曲月溪的空间延伸与月表坡度的相关性非常显著，月溪通常顺坡流动，月表坡向控制着月溪走向;另外，从全月球角度考虑，弯曲月溪主要分布在月球正面的月海地区，规模较大的月溪通常起源于月海盆地边缘附近地势较高的区域，曲折延伸至低洼的月海表面(例如雨海东北边缘的Sharp月溪)，说明月表坡度是控制月溪的重要因素。

如果弯曲月溪明显受区域构造作用影响，或者月溪与先前存在的构造地形存在空间相关性，则表明构造作用控制了弯曲月溪的渠道，例如雨海东南边缘的Hardley月溪(不在本文研究区)明显受区域构造作用控制［7］，月溪尾端高程远大于月溪起点高程，这暗示了月溪尾端区域可能发生了后期的构造抬升。但本文研究区中的弯曲月溪受区域构造作用的影响不明显，控制月溪的主要因素是月表坡度而不是区域构造作用。

弯曲月溪的形貌特征受熔岩流侵蚀速率、持续时间、流态、月表坡度、区域构造作用等因素影响，在月表不同地区的表现形式也会存在差异［20］。本文只对Aristarchus地区的弯曲月溪进行了初步的遥感解译分析，强调热侵蚀和月表坡度在月溪形成过程中所起的作用，结论是否适合于月表其他区域，有待进一步验证。

4 结论与建议

通过利用高分辨率LROC图像、高精度DEM数据和Clementine多光谱数据等多源遥感数据对月球上的Aristarchus地区的弯曲月溪进行形貌特征解译和物质成分分析，得出以下结论:

1)月溪形貌特征解译结果支持弯曲月溪的熔岩流热侵蚀成因，月溪由月球火山活动形成的玄武岩熔岩流顺应月表坡度流动形成。

2)月溪物质成分分析结果表明，研究区的弯曲月溪具有相同的物源特征。

3)区域构造作用对研究区弯曲月溪的影响并不明显，月表坡度是控制月溪的主要因素。

本文只对月球上的Aristarchus地区的弯曲月溪进行了初步的遥感解译分析，强调热侵蚀和月表坡度在月溪形成过程中所起的作用，结论是否适合于月表其他区域，有待进一步验证;由于实地样品和资料比较匮乏，本文仅作了探索性研究，下一步工作将尝试建立弯曲月溪的熔岩流热侵蚀模型，以深化对月溪形成过程的认识。

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Interpretation of Landform of Sinuous Rilles on the Moon Based on Multi－data of Remote Sensing

LI Li1，2，LIU Shao － feng1，2，WEI Wei1，2，XI Xiao － xu1，2，DU Shou － yin3
(1.School of the Geosciences and Resources，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China;2.State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources，Beijing 100083，China;3.School of Mechanical＆ Information Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Sinuous rilles are the most easily recognizable small volcanic features on the moon，which can provide information on volcanic history and evolution of the moon.Lunar orbiter laser altimeter(LOLA)data were used in this paper to supplement Chang'E CCD and lunar reconnaissance orbiter camera(LROC)images for making detailed observations of morphologic and topographic characteristics of sinuous rilles in Aristarchus region.Clementine images from three bands of the ultraviolet－visible camera were used to analyze the compositional properties of sinuous rille substrates below the pyroclastics.Topographic data lend support to the theory that sinuous rilles were formed by the thermal erosion of the basalt lava，the compositional property of sinuous rille substrates is the same，and the slope rather than the regional structural pattern is the dominant factor controlling the rille.

sinuous rilles;Aristarchus region;geomorphological feature;thermal erosion;slope

TP 75

A

1001－070X(2012)03－0016－06

2011－10－12;

2011－11－21

国家高技术研究发展(863)计划绕月探测工程科学数据应用与研究重点项目(编号:2009AA12220101)资助。

10.6046/gtzyyg.2012.03.04

李 力(1986－)，男，硕士研究生，主要从事遥感图像处理及遥感地学应用方面的研究。E－mail:lili330330@sina.com。

(责任编辑:刘心季)