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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于嫦娥一號(hào)激光測(cè)高數(shù)據(jù)的月球布格重力異常與巖石密度特征
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品利用最新的由嫦娥一號(hào)（CE-1）激光測(cè)高獲得的360階次月球全球地形模型（CLTM-s01），和月球探測(cè)者號(hào)（Lunar Prospector）飛船獲得的最新月球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)LP165P模型，結(jié)合我們建立的月表巖石密度分布模型，采用我們提出的球冠域地形校正方法，進(jìn)行月球全球變密度布格校正，獲得新的精度高的全球布格重力異常。在此基礎(chǔ)上，對(duì)月球重力異常進(jìn)行分析，反演月球內(nèi)部物質(zhì)密度分布，并開(kāi)展月球內(nèi)部構(gòu)造研究。
- 詳細(xì)介紹：
- 迄今為止，人類獲得的探究月球內(nèi)部深處的資料包括月球重力數(shù)據(jù)、月球磁測(cè)數(shù)據(jù)以及布設(shè)在月球表面的月震臺(tái)站網(wǎng)所獲得的月震記錄。由于無(wú)法在月球表面進(jìn)行實(shí)地的大量的人工月震和天然月震觀測(cè),月球重力場(chǎng)就成為了了解月球深部構(gòu)造、層圈形態(tài)及物質(zhì)密度分布特征的一個(gè)重要手段，為研究早期月球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)特征及月球起源與演化提供證據(jù)，而且是月球探測(cè)器飛行的軌道控制、月球著陸器著陸區(qū)的選擇的重要依據(jù)。此外，根據(jù)獲得的月球重力異常分布圖,我們可以初步了解可能的礦物分布范圍和評(píng)估月球礦產(chǎn)資源總量，還可以推進(jìn)行星內(nèi)部演化共性與特性的比較研究。 由于在數(shù)百公里上空進(jìn)行探測(cè)，衛(wèi)星具有不受地面及地下局部因素干擾和地域的限制等特點(diǎn)，可以得到全球或任意指定區(qū)域范圍內(nèi)衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星重力觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度和可靠性都有了大幅度的提高。目前最好的月球重力場(chǎng)球諧模型包括2001年的LP165P模型和2009年的SGM90d模型，在月球正面兩者一致，但后者在月球背面和兩極地區(qū)有更高的分辨率和精度。 在重力學(xué)研究中經(jīng)常應(yīng)用的地面重力異常包括了布格重力異常、自由空氣重力異常和均衡重力異常等，其中，布格重力異常應(yīng)用最廣泛，它是由觀測(cè)重力值經(jīng)過(guò)地形校正、高度校正、中間層校正(又稱為布格校正)和參考橢球體正常場(chǎng)校正后得到的。在利用由飛船得到的引力場(chǎng)研究月球內(nèi)部構(gòu)造時(shí)，必須剔除地形的影響。然而，相對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)而言，對(duì)衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)的地形校正有著不同的方法和意義。它是指地形起伏和中間層的作用可視為地形物質(zhì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球面分布的總效應(yīng)，故衛(wèi)星重力布格校正值的計(jì)算可以定義為：相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球面地形起伏物質(zhì)所產(chǎn)生引力的正演過(guò)程。 采用常密度進(jìn)行布格校正，如果選取密度與月表巖石密度有差異時(shí)，由于地形起伏將可能產(chǎn)生與地形相關(guān)的虛假異常。很容易證明，在校正密度大于地表物質(zhì)密度的地區(qū)，有可能產(chǎn)生與地形起伏呈負(fù)相關(guān)的假異常;在校正密度小于月表物質(zhì)密度的地區(qū)，有可能產(chǎn)生與地形起伏呈正相關(guān)的假異常。 為了完全消除相對(duì)月球參考面起伏物質(zhì)對(duì)對(duì)重力場(chǎng)的影響，我們必須建立月球表面物質(zhì)密度分布模型，然后采用變密度布格校正，得到精確地反映月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)密度分布等因素所引起的重力異常，從而可以更加可靠地探索月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 本項(xiàng)目先對(duì)基于球冠域的地形校正計(jì)算方法做了研究和探討，考慮全球范圍的地形起伏物質(zhì)對(duì)校正點(diǎn)的影響，將此方法推廣為基于球冠域的全球地形校正，并將它應(yīng)用到月球重力地形校正中。在與球坐標(biāo)系中Tesseroid 單元體地形校正方法進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程中，分析了此方法的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)。然后，利用月球巖石樣品、遙感數(shù)據(jù)、月震數(shù)據(jù)分析結(jié)果和重力異常的分析和處理，在嫦娥一號(hào)激光測(cè)高獲得的月表地形控制下建立月球表面物質(zhì)密度分布模型，對(duì)月球進(jìn)行變密度布格校正，得到新的真實(shí)地反映內(nèi)部物質(zhì)分布特征的月球全球布格重力異常。最后，初步分析了月球重力異常特征、質(zhì)量瘤的異常特征及空間分布與月殼均衡狀態(tài)，并嘗試結(jié)合25個(gè)由月震數(shù)據(jù)計(jì)算的月殼厚度，利用重力異常與月殼厚度的相關(guān)性估算了月球全球的月殼厚度。
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作品專業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 研究目的：建立球冠域地形校正方法；計(jì)算月球全球高精度布格重力異常；研究月球內(nèi)部物質(zhì)密度分布特征。 基本思路：月球重力布格校正可以定義為：相對(duì)月球標(biāo)準(zhǔn)球面地形起伏物質(zhì)所產(chǎn)生引力的正演過(guò)程，因此，建立球坐標(biāo)系中物質(zhì)徑向引力算法；利用月球巖石樣品、遙感及月震數(shù)據(jù)分析結(jié)果和重力異常的分析和處理，在月表地形控制下建立月球表面巖石密度分布模型，對(duì)月球進(jìn)行變密度布格校正。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本作品的特色與先進(jìn)之處在于，利用最新的由嫦娥一號(hào)激光測(cè)高獲得的360階次月球全球地形模型，和月球探測(cè)者號(hào)飛船獲得的最新月球LP165P重力場(chǎng)模型，通過(guò)建立月球表面巖石密度分布模型，采用新的高精度布格校正方法，即球冠域地形校正方法，進(jìn)行月球全球變密度布格校正，獲得新的高精度全球布格重力異常，進(jìn)而分析月球重力場(chǎng)特征。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行月球內(nèi)部物質(zhì)密度分布反演，并開(kāi)展月球內(nèi)部構(gòu)造的研究。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 1.建立高精度的球冠域地形校正方法，可以用于月球、火星等行星重力研究中，還可以運(yùn)用到地面重力勘探等領(lǐng)域； 2.建立月球表面巖石密度分布模型，利用我國(guó)嫦娥一號(hào)獲得的月球全球地形模型，獲得高精度的月球布格重力異常，可以反演月球內(nèi)部構(gòu)造、圈層形態(tài)及物質(zhì)分布，研究月球起源與演化；還可以用于月球礦產(chǎn)勘探等； 3.月球地形與重力場(chǎng)結(jié)合起來(lái)，分析月殼物質(zhì)分布等，為月球著陸器的著陸區(qū)的選擇的提供依據(jù)等。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 衛(wèi)星重力地形校正與傳統(tǒng)的地面地形校正有所區(qū)別?？紤]到全球地形起伏對(duì)月球重力的影響，本研究提出球坐標(biāo)系下的球冠域地形校正計(jì)算方法，并研究和探討了該方法涉及的球坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換和地形模型重構(gòu)等問(wèn)題。利用嫦娥一號(hào)激光測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)月球重力進(jìn)行地形校正，獲得了月球布格重力異常，并與Tesseroid 地形校正方法對(duì)比，分析了球冠域方法的空間分辨能力及其優(yōu)缺點(diǎn)。 在重力布格校正中，如果選取密度與實(shí)際巖石密度有差異時(shí)，由于地形起伏將可能產(chǎn)生與地形相關(guān)的虛假異常。分析月表巖石礦物組成及密度分布特征，利用月球巖石樣品、遙感數(shù)據(jù)和重力異常的分析和處理，在嫦娥一號(hào)激光測(cè)高獲得的月表地形控制下，建立月球表面物質(zhì)密度分布模型。在此基礎(chǔ)上，采用球冠域地形校正方法，得到新的真實(shí)反映內(nèi)部物質(zhì)分布特征的月球全球布格重力異常。初步分析了月球布格重力異常特征，提出對(duì)月殼物質(zhì)分布特征及均衡狀態(tài)的理解和認(rèn)識(shí)。并嘗試結(jié)合25個(gè)由月震數(shù)據(jù)計(jì)算的月殼厚度，利用重力異常與月殼厚度的相關(guān)性估算了月球全球的月殼厚度，計(jì)算結(jié)果與國(guó)外學(xué)者計(jì)算的結(jié)果大體一致。
獲獎(jiǎng)情況
- (1)2009年05月21日，中國(guó)自然科學(xué)核心期刊、多種著名國(guó)際檢索系統(tǒng)檢索期刊、地學(xué)領(lǐng)域代表性期刊《地球物理學(xué)報(bào)》錄取文章《月球表面巖石密度及月殼物質(zhì)分布特征》； (2)2009年06月03日，中國(guó)自然科學(xué)核心期刊《地球物理學(xué)進(jìn)展》錄取文章《基于球冠域的月球重力地形校正方法》，將于2010年第（3）期發(fā)表； (3)2009年06月06日，在湖北省第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲得特等獎(jiǎng)。
鑒定結(jié)果
- 經(jīng)科技查新鑒定：未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外有與查新點(diǎn)“利用球冠域重力地形校正方法計(jì)算月球全球的地形影響值”以及查新點(diǎn)“利用嫦娥一號(hào)激光測(cè)高數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)月球表面密度分布，計(jì)算月球變密度布格重力異?！?相同的研究。
參考文獻(xiàn)
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同類課題研究水平概述
- 利用重力資料研究月球內(nèi)部物質(zhì)分布，首先要得到布格重力異常。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們只能利用有限的探月數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算布格校正，計(jì)算結(jié)果十分粗略；直到90年代中期，克萊門汀號(hào)上的激光測(cè)高計(jì)為研究月球形狀提供了精確月球地形數(shù)據(jù)，使科學(xué)家們更準(zhǔn)確地估計(jì)由地形起伏所產(chǎn)生的重力效應(yīng)。Morgan和Blackman利用建立基于笛卡兒（直角）坐標(biāo)中的近似計(jì)算方法；Zuber和Neumann應(yīng)用Morgan和Blackman的方法對(duì)全月球的月殼厚度進(jìn)行約束反演；Wieczorek和Phillips借鑒Robert Park的思想（利用FFT快速計(jì)算界面起伏物質(zhì)層位場(chǎng)），建立了模擬Park方法的球諧級(jí)數(shù)近似算法，并對(duì)全月球重力場(chǎng)作布格校正，得到全球布格重力異常，在此基礎(chǔ)上對(duì)月殼厚度進(jìn)行約束反演。目前Wieczorek的方法已被許多后來(lái)者引用(如Lognonne,2003；Warren,2005;Namiki,2009等)，美國(guó)NASA和PSD發(fā)布的月球布格異常數(shù)據(jù)也是基于該方法獲得的。然而，從PSD發(fā)布的數(shù)據(jù)來(lái)看，由該方法計(jì)算的布格重力異常十分零亂，與月表地形關(guān)系密切。事實(shí)上，Wieczorek方法的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜繁瑣，十分耗時(shí)，而且只能用均一的密度進(jìn)行計(jì)算。 已獲得的月球探測(cè)資料表明，月球表面巖石具有多種類型且成因各異，Berezhnoy等利用最新元素豐度資料對(duì)月球表面巖性進(jìn)行分類“填圖”，認(rèn)為月球高地普遍存在含鐵質(zhì)斜長(zhǎng)石的巖石，而在月球背面的高地具有富鈣貧鋁的特征；在月海地區(qū)普遍存在富含鎂的玄武巖，而在許多大型的月海東緣存在相對(duì)富集輝長(zhǎng)石。H.Chenet等利用Apollo地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行計(jì)算，提出了月殼厚度橫向變化的證據(jù)。Konopliv等利用最新的重力資料分析，認(rèn)為月殼巖石密度至少存在300－400kg/m3的變化。這些觀點(diǎn)預(yù)示著月殼物質(zhì)存在橫向不均勻或密度變化，是影響月球重力場(chǎng)特征的重要因素。 查新結(jié)論指出:以往所有學(xué)者計(jì)算的月球全球布格重力異常均采用非球冠域重力地形校正方法，而且均采用單一密度進(jìn)行校正，計(jì)算精度低；變密度地形校正方法在地球上運(yùn)用很多，但沒(méi)有學(xué)者通過(guò)建立月表巖石密度分布，進(jìn)而在月球上進(jìn)行變密度重力地形校正。關(guān)于嫦娥一號(hào)激光測(cè)高的報(bào)道很多，但沒(méi)有見(jiàn)到利用CE-1測(cè)高數(shù)據(jù)計(jì)算月球布格重力異常的報(bào)道。
