基于多源遙感數據的彎曲月溪形貌特征解譯

李 力，劉少峰，韋 蔚，奚曉旭，杜守印

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083;2.地質過程與礦產資源國家重點實驗室，北京 100083;3.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083)

基于多源遙感數據的彎曲月溪形貌特征解譯

李 力1，2，劉少峰1，2，韋 蔚1，2，奚曉旭1，2，杜守印3

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083;2.地質過程與礦產資源國家重點實驗室，北京 100083;3.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083)

彎曲月溪是月球火山作用的產物，其形貌特征可以反映月海玄武巖的噴發歷史和演化結果。基于最新高分辨率遙感月表圖像和高精度DEM數據，分析月球Aristarchus地區彎曲月溪的形貌特征;結合Clementine UV/VIS多光譜圖像的波段比值合成圖像，分析月溪的物質成分。研究結果支持彎曲月溪的玄武巖熔巖流熱侵蝕成因，表明研究區內的彎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。

彎曲月溪;Aristarchus地區;形貌特征;熱侵蝕;坡度

0 引言

月溪(rille)是在月表廣泛分布的線狀負地形。基于形態和成因差異，月溪分為弧狀月溪(arcuate rilles)、直月溪(straight rilles)和彎曲月溪(sinuous rilles)［1－2］。弧狀月溪和直月溪是構造成因的月球地塹(lunar graben)，其形成與月海盆地沉降產生的局部張應力或月全球熱應力有關［3－4］;而彎曲月溪的發育特征蘊涵了月球火山活動的豐富信息。

關于月球彎曲月溪的研究，Schubert等［5］基于月球軌道環行器(lunar obiter)遙感圖像描述了月球正面100余條彎曲月溪的形態特征，推測彎曲月溪是干涸的水蝕渠道;而Apollo探月工程采集的月巖樣本證實了月球的缺水狀態和月海玄武巖的火山起源，相關學者逐步認為彎曲月溪是月海火山作用的產物，其中 Greeley［6］和 Gornitz［7］指出彎曲月溪形成于塌陷的熔巖管或熔巖渠道，Hulme［8］和 Carr［9］認為彎曲月溪是由熔巖流下切基巖產生;近期的研究則認為彎曲月溪由低粘度熔巖流根據月表地形和構造特征流動形成［10－11］，但對彎曲月溪形成過程中起主導作用的是熱侵蝕還是區域構造作用的問題一直存在爭議。

近年來，嫦娥一號(CE－1)、月亮女神(Kaguya)和月球勘測軌道器(lunar reconnaissance orbiter，LRO)獲取的高分辨率月表圖像和高精度DEM數據，為詳細研究彎曲月溪的形貌特征提供了數據支持。本文以月球風暴洋內部的Aristarchus地區為研究對象，基于多源遙感圖像分析了彎曲月溪的形貌特征和物質組成，進而評估熱侵蝕和其他因素在彎曲月溪形成過程中所起的作用。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

月表火山特征集中的區域大多位于月海盆地，尤其在風暴洋地區最為顯著。圖1示出的本文研究區是月球上的Aristarchus地區，該區位于風暴洋東北部、雨海盆地西側(W 38°～60°，N 16°～34°)，由Aristarchus高地和Harbinger山脈組成，是彎曲月溪分布最密集的地區之一。

圖1 月球Aristarchus地區嫦娥一號CCD圖像(左)與月溪分布簡圖(右)(地圖投影為中央經線為0°的Mercator投影;坐標系統為GCS_Moon_2000;經度為西經，緯度為北緯)Fig.1 CE －1 CCD image(left)and sketch map of rilles(right)of Aristarchus region on the moon

Aristarchus高地位于風暴洋的廣闊熔巖內，是海拔高出周圍月海近2 km的矩形傾斜地塊。在月表圖像上，該區反射率高、地形復雜的火山噴出物與其外圍反射率低、地形平坦的熔巖表面形成了鮮明對比。Aristarchus撞擊坑(直徑42 km，深3.7 km，地質時代為哥白尼紀)位于Aristarchus高地東南部，是月表反射率最高的單元;該撞擊坑西北部分布著月球最大的彎曲月溪(Schr?teri月溪)，北部則是由數條彎曲月溪組成的Aristarchus月溪系統(圖1(左))。

Harbinger山脈地區毗鄰Aristarchus高地東側，大致沿雨海盆地環結構分布;該區內Prinz撞擊坑(直徑42 km，地質時代為雨海紀)的北部密集分布4條彎曲月溪，從西向東依次是Prinz月溪、Beethoven月溪、Handel月溪和 Telemann月溪。另外，Krieger月溪發源于Krieger撞擊坑的西部，Marius月溪的北段位于Aristarchus高地南部的風暴洋玄武巖表面(圖1(右))。

1.2 數據源

本文使用的月球遙感數據包括:嫦娥一號探月衛星(CE－1)CCD圖像(分辨率為120 m)、月球軌道激光測高儀(lunar orbiter laser altimeter，LOLA)DEM數據(分辨率為30 m)、月球勘測軌道器相機(lunar reconnaissance orbiter camera，LROC)圖像(分辨率為100 m)和 Clementine紫外/可見光(UV/VIS)多光譜圖像(分辨率為200 m)。

圖像預處理主要包括原始圖像的幾何糾正、鑲嵌和增強處理。研究區位于月球中低緯度地區，為最大限度地保持月表形貌特征與月表物體相對位置的對應關系，采用墨卡托投影方式將上述數據統一到相同的GCS_Moon_2000基準之上。

2 研究方法

彎曲月溪的形貌特征與月表其他線性構造(月嶺、月球地塹等)存在明顯差別，如果彎曲月溪由玄武巖巖漿流熔蝕月表形成，則其形貌特征和物質組成可以反映月海玄武巖的噴發歷史。Aristarchus地區火山特征復雜多樣，彎曲月溪分布密集，本文利用多源遙感圖像從影像特征、形貌特征和物質組成3個方面對該區月溪進行解譯分析。

2.1 影像特征

彎曲月溪在遙感圖像上表現為暗色細長的裂隙影像。它通常起源于局部地勢較高地區的類撞擊坑或邊界不規則的凹陷結構(火山口)，月溪渠道蜿蜒曲折，尾端點特征不顯著，通常消失于周圍的月海沉積物中(圖2)。

圖2 彎曲月溪形態特征(底圖為LRO WAC(分辨率100 m)數據;A—A'，B—B'，C—C'，D—D'為剖面線位置)Fig.2 Morphological feature of sinuous rilles

與地球上的河流相比，彎曲月溪與地球河流具有渠道呈蛇曲形、順坡流下等共同特征，但月溪缺少支流和三角洲。與地球上的熔巖渠道相比，彎曲月溪與地球熔巖渠道具有相似的火山源區特征和渠道特征，暗示兩者成因的相似性;但在空間規模上，月溪的寬度、長度通常比地球熔巖渠道大一個數量級(例如，Prinz月溪長度大于85 km、寬度1～2 km，而地球上的夏威夷的熔巖渠道長度通常不足10 km、寬度僅 50 ～100 m［12］)。

2.2 形貌特征

長度、寬度、深度、區域坡度和月溪剖面反映出月溪的主要形貌特征。這些特征可以用來推測月溪形成時熔巖流的流態、流速、持續時間和侵蝕速率，進而為研究月海火山噴發狀況提供信息。前人利用地基望遠鏡和月表遙感圖像(如lunar obiter)描述月溪的數量和分布規律［5］，通過在低太陽高度下測量的陰影或使用月球正射影像地圖(lunar topographic orthophotomaps，LTO) 描述月溪的形貌特征［13－14］。早期研究結果的精度和準確度受到圖像分辨率和相關資料豐富程度的限制，而利用最新月球遙感數據(尤其是LOLA獲取的高精度DEM)可以精確地定量分析月溪的形貌特征。

月溪剖面能夠直觀反映月溪的形貌特征。使用LOLA數據制作的月溪橫剖面(圖3，剖面線的位置見圖2)顯示，彎曲月溪的橫剖面主要呈V狀或U狀，月溪壁的坡度為 8°～28°，月溪深度為80～200 m。

圖3 月溪橫向剖面圖(使用LOLA 30 m分辨率DEM數據生成，4條橫剖面的位置見圖2)Fig.3 Transverse profiles of sinuous rilles

縱向剖面圖是從月溪源點至端點沿月溪底部所切取的渠道和水面線間的斷面，可以更全面地反映月溪的形貌特征及其變化趨勢。使用LOLA數據制作的月溪縱向剖面(圖4)顯示，雖然月溪渠道的高程存在小規模起伏，但月溪底部地勢總體呈逐步降低趨勢。

圖4 月溪縱向剖面圖(使用LOLA 30 m分辨率DEM數據生成，4條月溪與圖2對應)Fig.4 Longitudinal profiles of sinuous rilles

Prinz月溪的源區位于Prinz撞擊坑北翼的地勢較高處，月溪起初呈東西向流動，隨后急劇北轉流向高程更低的區域(圖2)，在距起點距離約40 km處高程的峰值(圖4)可能是由于月溪壁物質塌陷造成的;Beethoven月溪的源區類似蛇頭狀，月溪在流經Harbinger山脈(距起點距離約30 km處)之前地勢存在小規模起伏，穿越山脈后以穩定坡度向北流動;Handel月溪和Telemann月溪底部地勢逐步降低，Telemann月溪在距起點距離約10 km處高程的變化可能起因于小規模撞擊坑對月溪渠道的破壞。

本文進一步計算了研究區彎曲月溪的形貌參數。沿彎曲渠道以5 km為間隔作橫剖面，獲取月溪各處的寬度和最大深度，然后取均值作為月溪的平均寬度和深度;將月溪等距離分為10個區段，計算每個區段流域的月表坡度，取均值作為月溪的區域坡度;彎曲度定義為月溪總長度與其直線長度的比值。彎曲月溪形貌參數的計算結果如表1所示。

表1 彎曲月溪的形貌參數Tab.1 Geometry of sinuous rilles

對上述計算結果的統計顯示，研究區彎曲月溪的長度從幾十km到上百km不等，長度和深度大致呈正相關，長度和寬度的相關性不明顯，月溪的彎曲度介于1.0～1.5之間，月溪所在區域的月表坡度約為1.0%。

研究區不存在彎曲月溪受區域構造控制的直接證據，位于Beethoven月溪北側和Handel月溪北段的東西走向斷裂沒有對月溪渠道造成影響;Aristarchus月溪和Schr?teri月溪以月表地形梯度的反方向分別延伸至Aristarchus高地的北部和西部邊緣，受構造作用的影響不明顯。

月溪的渠道因受壁部物質塌陷和撞擊坑破壞等因素的影響，存在月表地形起伏，但研究區內所有月溪的底部地勢均呈沿流向逐步降低的趨勢。月溪起點的高程始終大于渠道中部和端點的高程，這表明熔巖流從月溪源區流出后順坡流動;另外，月溪縱剖面的坡度與月溪流經的月海表面坡度基本一致，這也說明坡度是控制月溪的重要因素之一。

2.3 物質組成

利用Clementine多光譜數據對月表局部區域進行礦物制圖，對研究月球起源與演化具有重要意義［15］。利用Clementine UV/VIS數據可以生成波段比值圖像，從而減弱由月表地形起伏和陰影等造成的照度差異的影響;對波段比值圖像進行假彩色合成，則可增強顯示月表物體礦物組成的特征。

Aristarchus地區表層被大量火山碎屑物質所覆蓋，月溪壁部物質和撞擊坑深部物質可以揭示該區亞表面的物質成分信息。為了進一步分析彎曲月溪的成因，本文對研究區進行了彩色制圖，使用Clementine UV/VIS多光譜圖像波段生成B750/B415(R)，B750/B950(G)，B415/B750(B)比值合成的假彩色圖像，并進行了2%標準差拉伸(B750表示中心波長為750 nm的波段亮度值，余同)(圖5)。

圖5 Aristarchus地區Clementine UV/VIS波段比值合成假彩色圖像(由B750/B415(R)，B750/B950(G)，B415/B750(B)比值合成，并進行了2%標準差拉伸;經度為西經，緯度為北緯)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圖像反映了該區物質成分的多樣性:Aristarchus高地和Harbinger山脈地區被火山碎屑物覆蓋呈藍色;風暴洋月海玄武巖表面富含鈦鐵礦物呈綠色;Aristarchus撞擊坑揭露的月球深部物質呈淡黃色;中小規模撞擊坑(壁)呈紅色圓狀;所有的彎曲月溪，如Prinz月溪和Beethoven月溪(圖5(a))、Marius月溪(圖5(b))、Aristarchus月溪(圖5(c))均呈紅色線條。

月表形貌格局和物源特征存在著空間耦合關系［16］，彎曲月溪的渠道在Aristarchus高地和風暴洋月海玄武巖表面呈現相同的顏色特征，這表明在月溪形成過程中，與遭受過熔巖流熱侵蝕的基巖具有相同或相近的礦物組成，說明研究區的彎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著月海玄武巖物質。McEwen等［17］通過分析直徑為100～1000 m的撞擊坑的開掘深度，推測Aristarchus地區表面火山碎屑物的平均厚度為10～30 m，月海玄武巖物質的最大厚度達600 m。

3 問題與討論

3.1 關于彎曲月溪的空間規模

月球的表面環境與地球存在明顯差異，彎曲月溪的空間規模明顯大于地球熔巖管道的空間規模，其可能原因有:①與月球的低重力環境有關。月球的地心引力僅為地球的1/6，其火山熔巖的流動阻力較地球小，熔巖行進更為流暢;②月球熔巖流粘度較低。Murase等［18］對月巖樣本的實驗分析表明，在1400℃高溫時，月球玄武巖熔巖流的粘度僅是地球玄武巖的1/10;③熔巖流的溢出速率和持續時間也會影響月溪的空間規模，低重力環境下的低粘度、高流速的持續熔巖流更易形成大規模的彎曲月溪。

3.2 關于熔巖流的熱侵蝕作用

熱侵蝕是熔巖流的熱力作用熔蝕月表物質的過程。月球玄武巖巖漿的硅酸鹽含量少且粘度低，如果巖漿沿平坦的裂隙涌出月表(裂隙式噴發)，則易溢散形成大面積平原;如果巖漿從火山口或傾斜面噴發(溢流型噴發)，則易在流體邊緣產生堤壩，以限制熔巖流沿單一渠道流動，進而形成彎曲月溪［2］。

關于熔巖流的熱侵蝕過程，Carr［9］認為月球玄武巖熔巖流以層流狀(laminar flow)侵蝕下切基巖產生彎曲渠道，冷凝后形成月溪;Hulme［19］則認為大規模、低粘度熔巖流的流態較為接近湍流狀(turbulent flow)，彎曲月溪是湍流狀熔巖流熔蝕月表的產物。

熱侵蝕形成月溪需要熔巖流有足夠高的溫度、溢出速率和足夠長的持續時間。熔巖流在流動過程中，侵蝕、開鑿基巖使月溪渠道加深加寬，垂直侵蝕速率在月溪起點處最大(溫度最高)，在月溪尾端處變為零，超過這個端點月溪不再形成。

以上從遙感影像特征、月表形貌特征和物質組成3方面對月溪的熱侵蝕特征進行了初步論述。彎曲月溪的火山源區特征、渠道形態和物源組成皆表明其形成伴隨著熔巖流熱侵蝕過程。由于實地樣品和資料比較匱乏，本文僅作了探索性研究，下一步工作將嘗試建立彎曲月溪的熔巖流熱侵蝕模型，以深化對月球熔巖流熱侵蝕過程的認識。

3.3 關于月表坡度和區域構造作用

上述分析表明，Aristarchus地區彎曲月溪的空間延伸與月表坡度的相關性非常顯著，月溪通常順坡流動，月表坡向控制著月溪走向;另外，從全月球角度考慮，彎曲月溪主要分布在月球正面的月海地區，規模較大的月溪通常起源于月海盆地邊緣附近地勢較高的區域，曲折延伸至低洼的月海表面(例如雨海東北邊緣的Sharp月溪)，說明月表坡度是控制月溪的重要因素。

如果彎曲月溪明顯受區域構造作用影響，或者月溪與先前存在的構造地形存在空間相關性，則表明構造作用控制了彎曲月溪的渠道，例如雨海東南邊緣的Hardley月溪(不在本文研究區)明顯受區域構造作用控制［7］，月溪尾端高程遠大于月溪起點高程，這暗示了月溪尾端區域可能發生了后期的構造抬升。但本文研究區中的彎曲月溪受區域構造作用的影響不明顯，控制月溪的主要因素是月表坡度而不是區域構造作用。

彎曲月溪的形貌特征受熔巖流侵蝕速率、持續時間、流態、月表坡度、區域構造作用等因素影響，在月表不同地區的表現形式也會存在差異［20］。本文只對Aristarchus地區的彎曲月溪進行了初步的遙感解譯分析，強調熱侵蝕和月表坡度在月溪形成過程中所起的作用，結論是否適合于月表其他區域，有待進一步驗證。

4 結論與建議

通過利用高分辨率LROC圖像、高精度DEM數據和Clementine多光譜數據等多源遙感數據對月球上的Aristarchus地區的彎曲月溪進行形貌特征解譯和物質成分分析，得出以下結論:

1)月溪形貌特征解譯結果支持彎曲月溪的熔巖流熱侵蝕成因，月溪由月球火山活動形成的玄武巖熔巖流順應月表坡度流動形成。

2)月溪物質成分分析結果表明，研究區的彎曲月溪具有相同的物源特征。

3)區域構造作用對研究區彎曲月溪的影響并不明顯，月表坡度是控制月溪的主要因素。

本文只對月球上的Aristarchus地區的彎曲月溪進行了初步的遙感解譯分析，強調熱侵蝕和月表坡度在月溪形成過程中所起的作用，結論是否適合于月表其他區域，有待進一步驗證;由于實地樣品和資料比較匱乏，本文僅作了探索性研究，下一步工作將嘗試建立彎曲月溪的熔巖流熱侵蝕模型，以深化對月溪形成過程的認識。

［1］Wilhelms D E.The Geologic History of the Moon［M］.Washington DC:U S Government Printing Office，1987:85 －96.

［2］Heiken G H，Vaniman D T，French B M.Lunar Sourcebook:A User’s Guide to the Moon［M］.USA:Cambridge University Press，1991:94－111.

［3］McGill G E.Attitude of Fractures Bounding Straight and Arcuate Lunar Rilles［J］.Icarus，1971，14(1):53 －58.

［4］Golombek M P.Structural Analysis of Lunar Grabens and the Shallow Crustal Structure of the Moon［J］.J Geophys Res，1979，84(B9):4657－4666.

［5］Schubert G，Lingenfelter R E，Peale S J.The Morphology，Distribution，and Origin of Lunar Sinuous Rilles［J］.Rev Geophys，1970，8(1):199－224.

［6］Greeley R.Lava Tubes and Channels in the Lunar Marius Hills［J］.The Moon，1971，3(3):289 －314.

［7］Gornitz V.The Origin of Sinuous Rilles［J］.The Moon，1973，6(3/4):337－356.

［8］Hulme G.Turbulent Lava Flows and the Formation of Lunar Sinuous Rilles［J］.Mod Geol，1973，4:107 －117.

［9］Carr M H.The Role of Lava Erosion in the Formation of Lunar Rilles and Martian Channels［J］.Icarus，1974，22(1):1 － 23.

［10］Honda C，Fujimura A.Formation Process of Lunar Sinuous Rilles by Thermal Erosion of Basaltic Lava Flow［C］//Proceedings of the 36th Annual Lunar and Planetary Science Conference.League，2005.

［11］Wilson L，Head J W.Conditions in Lunar Eruptions Producing Sinuous Rilles［C］//Preceedings of the 41st Lunar and Planetary Science conference.Texas，2010.

［12］Coombs C R，Hawke B R，Wilson L.Terrestrial Analogs to Lunar Sinuous Rilles:Kauhako Crater and Channel，Kalaupapa，Molokai and Other Hawaiian Lava Conduit Systems［C］//Poceedings of the 20th Lunar and Planetary Science Conference.Houston，1990.

［13］Strain P L，Elbaz F.Topography of Sinuous Rilles in the Harbinger Mountains Region of the Moon［J］.The Moon，1976，16:221 －229.

［14］Hurwitz D M，Head J W，Wilson L，et al.Lunar Sinuous Rilles:A－nalysis of Morphology，Topography，and Mineralogy，and Implications for a Thermal Erosion Origin［C］//Proceedings of the 41st Lunar and Planetary Science Conference.Texas，2010.

［15］閆柏琨，甘甫平，王潤生，等.基于光譜分解的Clementine UV/VIS/NIR數據月表礦物填圖［J］.國土資源遙感，2009(4):19－24.Yan B K，Gan F P，Wang R S，et al.Mineral Mapping of the Lunar Surface Using Clementine Uv/Vis/Nir Data Based on Unmixing of Spectral［J］.Remote Sensing for Land and Resources，2009(4):19－24(in Chinese with English Abstract).

［16］甘甫平，于艷梅，閆柏琨.月表形貌格局和物源特征的耦合性初步研究［J］.國土資源遙感，2009(4):14－18.Gan F P，Yu Y M，Yan B K.A Primary Study of the Relationship Between Lunar Surface Topography and Physiognomy and Geological Information Coupling［J］.Remote Sensing for Land and Resources，2009(4):14 －18(in Chinese with English Abstract).

［17］McEwen A S，Robinson M S，Eliason E M，et al.Clementine Observations of the Aristarchus Region of the Moon［J］.Science，1994，266(5192):1858－1862.

［18］Murase T，Mcbirney A R.Viscosity of Lunar Lavas［J］.Science，1970，167(3942):1491 －1493.

［19］Hulme G.A Review of Lava Flow Processes Related to the Formation of Lunar Sinuous Rilles［J］.Surv Geophys，1982，5(3):245－279.

［20］Wilson L，Head J W.Conditions in Lunar Eruptions Producing Sinuous Rilles［C］//Proceedings of the 41st Lunar and Planetary Science Conference.Texas，2010.

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

國家高技術研究發展(863)計劃繞月探測工程科學數據應用與研究重點項目(編號:2009AA12220101)資助。

10.6046/gtzyyg.2012.03.04

李 力(1986－)，男，碩士研究生，主要從事遙感圖像處理及遙感地學應用方面的研究。E－mail:lili330330@sina.com。

(責任編輯:劉心季)