洞察月球——未来月球探测的概念框架

点击“国家空间科学中心”关注我们吧

本文提出“洞察月球”概念框架，旨在通过月球熔岩管的系统探测，解决月球内部结构与热演化历史这一重大科学问题。该框架分三阶段实施：全球普查熔岩管分布与玄武岩厚度、对优选目标开展机器人原位精细探测、依托熔岩管天然庇护优势建设长期月球基地并部署地球物理观测网。本文认为，熔岩管不单是揭示月球深部物质组成与岩浆演化历程的天然窗口，也是支撑长期科考与资源利用的战略性栖息地。

图1. 依托月球熔岩管洞穴部署月球科研站的示意图

自阿波罗时代以来，月球科学研究取得了显著进展，奠定了我们对月球地质过程和演化历史的基础认识。近几年来，中国探月工程通过一系列成功的轨道探测、月面探测和采样返回任务，极大深化了人类对月球的认识。尽管取得了这些成就，月球内部结构及其长期热演化历史仍缺乏充分约束，这已成为构建月球完整演化框架面临的一项重大科学挑战。与此同时，月球探测范式正在发生深刻转变，由单纯的科学探测逐步迈向兼顾“认识月球”和“利用月球”的双重目标阶段。在这一背景下，建设永久性月球基地，以支持月球的持续探测和原位资源利用，已成为一项重要战略方向。

为支撑我国未来月球探测任务的战略发展路线，我们提出“洞察月球”概念框架，旨在利用月球熔岩管，深入认识月球内部结构及岩浆演化过程，建设月球综合科研站和长期月球基地。月球熔岩管形成于熔岩流冷却固结过程中，可为获取未受扰动的玄武岩地层和深部来源物质提供重要通道，对认识月球内部具有重要意义。月球内部结构保存了早期行星分异和热演化的基础记录，可为类地天体形成与演化模型提供关键约束。月球内部结构研究需要精确刻画月壳、月幔和月核，以揭示月球岩浆洋冷却过程中早期全球分异所形成的质量分布和岩石圈性质。月球热演化研究关注内部热量随时间的演变，重点考察冷却速率以及控制月球岩浆活动规模和周期性的因素。月海玄武岩是月球深部部分熔融产生的岩浆冷却固结形成的产物，是记录月球内部过程的主要岩石学载体，其喷发历史能够对月球热状态提供关键约束。作为月球岩浆活动产物的特殊构造，熔岩管自身良好的结构完整性及天然屏蔽特性，使其成为建设长期月球基地的重要候选场所，可同时服务于基础科学发现和可持续月球探测。

洞察月球的概念框架包括三个依次推进的阶段：第一阶段，全球普查与测绘；第二阶段，精细原位探测；第三阶段，建设长期月球基地。其科学目标包括：（1）绘制月球熔岩管的全球分布以及玄武岩和隐月海的厚度，认识岩浆迁移与就位的动力学过程；（2）刻画熔岩管的内部结构与稳定性，揭示月球火山活动的规模、样式及其时间演化的规律；（3）揭示月球内部精细分层结构及其动力学过程，构建新的月球形成与演化理论模型。这些工作将直接支撑未来月球基地建设、人类长期驻留以及持续开展月球科学研究和资源利用。

第一阶段：月球熔岩管以及玄武岩和隐月海厚度的全球普查与测绘

第一阶段的科学目标是首次刻画月球熔岩管全球分布特征，对其空间分布、尺度和埋深进行约束，同时提供相关玄武岩单元及隐月海厚度等关键地质背景信息。首先，利用高分辨率光学影像识别熔岩管天窗（地下空腔顶部坍塌形成），从而约束其空间分布并确定进一步探测的目标。随后利用重力数据探测地下结构，由于熔岩管的密度显著低于周围岩石，会产生微弱的重力异常，据此可反演其长度、宽度、高度和埋深等几何参数。最可靠的方法是采用具有高垂向分辨率的深穿透雷达，雷达测深可通过识别空腔与围岩之间的介电性质差异，直接探测地下结构并完善几何模型，其兼具薄层分辨能力和深部穿透能力，因此特别适合精确确定熔岩管的厚度和内部构型。此外，雷达观测还可约束玄武岩熔岩流和隐月海沉积的厚度及地下结构，而可见近红外光谱仪则可表征其成分差异。综合这些观测，将为理解岩浆迁移、就位过程以及月球火山演化提供关键认识。

第二阶段：熔岩管精细原位探测

第二阶段的科学目标是评估2-3个高优先级熔岩管的内部结构和工程稳定性，同时对其出露地层剖面开展原位测量，从而为月球火山活动历史和岩浆演化提供新的约束。对月球熔岩管开展精细探测，是认识其精细结构特征并确定未来月球基地建设关键工程参数的前提。熔岩管部分坍塌形成的天窗为观察熔岩管内部细节提供了天然窗口。主要工程挑战集中在长期结构稳定性方面，包括形成后的退化过程、内部温度和辐射波动、坍塌机制以及影响整体结构完整性的因素。这些工程问题要求利用机器人开展原位三维勘察，获取的数据将有助于消除工程不确定性，并验证将熔岩管用作安全栖居空间的可行性。此外，原位机器人探测将获取熔岩管洞穴内壁地层剖面、矿物性质和物质组成等关键数据，这些综合数据将用于回答一系列重要科学问题，例如熔岩流活动的多期次特征、不同时期岩浆活动的成分差异，以及月球岩浆具体的就位机制和控制因素。将这些信息与第一阶段开展的全球玄武岩及隐月海厚度测绘相结合，可进一步深化对月球岩浆作用的认识，并为理解月球热演化提供关键线索。此外，对古风化层地层结构进行精细刻画并对返回样品开展实验室分析，可为认识月表过程和空间环境提供重要证据。这些数据对于研究古风化层演化及其对空间风化作用的响应至关重要。相关探测还有望揭示月球早期撞击通量，并获取保存在这些月球地质档案中的古地球大气和古太阳活动记录。

第三阶段：建设长期月球基地

第三阶段的科学目标是在优选熔岩管地点附近建设长期月球基地，并部署多物理场地球物理观测网络，对月球深部开展探测，从而为月壳厚度、月幔结构和月核性质提供关键约束。月球基地能够支持对月球地质、资源和环境开展持续、长期的科学探测，同时也可作为航天员栖居设施，支撑更长时间的任务并降低对地球补给的依赖。月球基地可优先建设在熔岩管洞穴附近，以充分利用其对辐射、微陨石撞击和极端温度变化的天然屏蔽作用。在月球独特环境下，该基地可作为开展基础科学研究的综合平台，研究领域包括材料科学、基础物理学和生命科学；还可用于长期监测和研究月表环境、对关键月球资源开展原位高精度评估，以及开展月基天文观测与研究。可部署由电场和磁场传感器、热流探针、地震仪、重力仪和雷达系统等组成的综合地球物理观测阵列，对月球开展多物理场联合观测。由此可实现对月球内部的多层次探测：在浅部月壳刻画垂向结构，研究巨厚风化层结构、岩浆活动规模和月壳裂隙；在中深部解析岩石圈厚度及深部结构（如深部侵入体）；在更深层次探测核幔边界及月核动力学过程。综合这些跨尺度数据，可构建更精细的月球内部结构模型，为认识月球形成和长期演化历史提供关键认识。由于具有天然防护优势，熔岩管既适用于短期任务，也适用于人类长期驻留。从概念上看，适合人类探测利用的熔岩管洞穴可划分为三个功能区：入口区、科研区和居住区。入口区可设置出入通道、通信系统以及气密封闭和加压设施；科研区用于开展科学研究、实验活动和原位资源利用；居住区则用于航天员生活，从而实现人类在月表以下的持续驻留。这样一个功能完善的熔岩管基地，不仅能够为载人月球探测的长期运行提供关键支撑，也可服务于月球内部结构的科学探测。

总之，洞察月球概念框架从科学上旨在探测月球内部并追溯月球岩浆活动历史，进入并探测熔岩管代表着月球探测范式的一次转变，也是新的重要里程碑，即从月表观测迈向对月球内部的直接原位探测。同时，洞察月球概念框架的实施将通过科学数据共享、协同技术研发和联合科学活动，为面向可持续月球探测的国际月球科研站建设提供广泛机会。通过将熔岩管作为独特的天然实验室，该框架力求约束月幔组成及其分层特征，刻画深部岩浆过程，并重建月球的热演化历史。此外，月球熔岩管封闭、稳定的内部环境具有天然屏蔽作用，并为长期地球物理探测提供有利条件，可实现对地震活动、热流和地下结构的高质量测量。通过将地质观测与持续地球物理监测相结合，月球熔岩管有望显著推进我们对月球热演化和内部结构的认识，同时为建设长期月球基地、开展月球科学研究和原位资源利用提供重要机遇。

上述研究成果发表于国际学术期刊《National Science Review》，中国科学院国家空间科学中心刘洋研究员为论文第一作者，邹永廖研究员和王赤院士为论文共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金重大项目（42595543）和国家自然科学基金专项项目“空间与行星科学学科发展战略研究”（42542007）的资助。

论文信息：Yang Liu, Yongliao Zou, Chi Wang, Moon Insight: a Conceptual Framework for Future Lunar Exploration, National Science Review, 2026; nwag474,

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag474

来源：行星科学

欢迎关注我们，转载授权、投稿事宜请
在文后留言，小编会尽快处理