【nature geoscience】Shallow Seismic Activity and Young Thrust Faults on the Moon (Watters等人, 2019)

 月球浅层地震活动与年轻逆冲断层

摘要：月球上年轻逆冲断层的发现证实了近期构造活动的存在，但具体时间尚不明确。1969至1977年间，阿波罗计划四个着陆点的月震仪记录了28次浅层月震，其中部分地震可能与这些年轻断层的活动有关。然而，这些震中的定位精度较低。本研究基于稀疏地震台网算法，提出了更精确的震中定位结果：发现8次浅表月震的震中位于断层陡崖30公里范围内——该距离与预期强烈地面震动范围相符。通过分析这8次地震的时间特征，其中6次发生在月球距离远地点不足15,000公里时。对当前月球应力状态中潮汐力的建模分析表明，在断层陡崖60公里范围内发生的7次近远地点事件，均出现在压缩应力峰值时段（此时最易引发断层滑动）。综合月震与年轻断层的空间关联性、断层陡崖及周边月壤扰动与岩块运动的证据，充分表明月球仍存在构造活动性。

月球勘测轨道飞行器（LRO）任务为我们理解月球构造演化开启了新篇章。通过月球勘测轨道飞行器相机（LROC）获取的0.5-2米/像素高分辨率图像，揭示了全球范围内分布广泛的叶状断层陡坡网络。根据形态特征、交切关系、倾向反转、断层段连接及建模分析，这些陡坡被解释为逆冲断层作用的产物。其微小尺度与清晰形态特征、与小直径撞击坑的交切关系，以及缓冲与传统撞击坑尺寸-频率分布定年结果均表明这些断层陡坡形成年代非常新近（图1）。相关小型浅地堑的预期充填速率显示，叶状陡坡年龄应小于5000万年。如此年轻的地质年龄引发了这些逆冲断层可能仍在活动的重大科学猜想。

图1 | 位于月球背面高地(北纬6.9°，东经161°)的曼德尔施塔姆（Mandel'shtam）撞击坑群中显著的叶状逆冲断层崖（lobate thrust fault scarp），是通过月球勘测轨道飞行器相机(LROC)图像发现的数千处断层之一。利用LROC NAC立体影像(帧号M191895630和M191909925)生成了曼德尔施塔姆断层崖的数字高程模型。该断层崖(白色箭头标示)最大起伏约70米。数字高程模型水平空间尺度为5米/像素(NAC立体影像分辨率约1米/像素)，垂直精度约0.5米。高程基准参考半径为1,737,400米的球体。

年轻的逆冲断崖群为揭示月球近期应力状态提供了窗口，并有助于理解全球性月球应力的起源（图2a）。这些断崖广泛的空间分布证实月球近期经历了全球性收缩。然而，断层崖走向分析表明其方位分布具有非随机性，这与全球收缩产生的各向同性应力不符。断崖走向暗示着潮汐力的影响，模型显示潮汐应力对月壳当前应力状态贡献显著。叠加在全球收缩应力之上的潮汐应力（轨道退行和昼夜潮汐）产生了与逆冲断崖走向相符的非各向同性压应力。在月球表面任意特定位置，昼夜周期中某个时刻将达到峰值压应力状态：远地点时，昼夜应力与退行应力在潮汐轴附近区域形成最大压应力；近地点时，最大压应力出现在距潮汐轴90°区域。当应力达到峰值时，最可能触发当前活跃逆冲断层的同震滑动事件。

阿波罗12号、14号、15号和16号着陆点部署的四台月震仪记录了月球地震活动。这些月震仪在1969至1977年运行期间，共记录了28次浅层月震（图2a）。分析显示这些浅层月震的里氏等效震级在1.5至约5级之间，体波震级＞5.5级。其中16次事件的应力降估值≤10兆帕，11次事件＞10兆帕。据估算，有三起浅层月震的应力降达到≥100兆帕。部分浅层月震事件报告的高应力降现象，可能是断层预滑动累积应力所致。

图2 | 显示年轻叶状逆冲断层陡坎位置与浅月震分布的地图。a图中标注了3543处叶状陡坎（红色）、已公布的浅月震震中位置（蓝色圆点），以及阿波罗月震台网 seismometers（黑色菱形）的分布位置。月震符号大小按估算的里氏震级进行比例缩放。月海玄武岩单元以棕褐色标示。

目前对大多数浅月震震源位置的最佳测定精度可能仅达到数度（60-90公里），对于规模较小或距离月震仪较远的震源，定位精度则更低。浅月震的深度同样难以精确测定，部分震源可能发生于月表，而另一些则可能深达200公里。最新分析表明其发震深度为50±20公里。尽管阿波罗月震数据质量限制了震源定位精度，但记录的浅月震与年轻构造地貌之间的关联可能暗示当前仍活跃的月球断层存在。

浅月震的定位及深度不确定性使得其与已知构造特征的直接对比存在挑战。本研究通过分析阿波罗月震网记录的浅月震发震时间，重新评估其震中位置及深度，以验证"浅月震代表年轻逆冲断层活动"的假说。同时我们还考察了浅月震发震时间、位置与月球应力状态的关系，以判断月震是否发生在理论峰值应力的时空位置。

浅层月震的重新定位

首先需要提高浅层月震震中位置和深度的准确性。以往采用标准地震定位方法确定震中，该方法基于已知速度模型和观测到的直达P波与S波到时数据。报道中提到的到时数据较大误差直接导致这些事件定位存在较大不确定性。为精确定位，我们采用了专门针对稀疏地震台网不精确数据设计的重定位算法(LOCSMITH)，该算法仅需到时不确定性数据。该方法不求解最优拟合位置，而是通过自适应网格搜索将解集划分为被证伪和未被证伪的候选位置，并采用真实到时窗口来考量到时不确定性。每个事件的定位结果不是单一位置，而是候选位置云团(图2b)。

图2 | 显示年轻叶状逆冲断层陡坎与浅月震位置的地图。b图中展示了重新定位的浅月震震中群（地表解算结果）。在重新定位的震中群和簇群中，标出了17个可能的震中位置（黑色实心圆），同时标注了叶状陡坎（红色）和阿波罗地震台网地震仪位置（黑色菱形）。

在Nakamura等人识别的28次浅层月震中（Nakamura 等人，1979， Shallow moonquakes-depth, distribution and implications as to the present state of the lunar interior. In Lunar and Planetary Science Conference），13次获得确认定位(位置云包含原始震中)，7次产生二元位置云(两个独立震中云团均不包含原始位置)，8次呈现碎片化位置云(重定位震中约束性差且分散)。可接受定位深度可达300公里，超过该深度即终止搜索。但由于断层模型显示月表陡坡相关断裂深度很可能不超过1公里，仅评估了地表位置云团。

虽然先前研究获得了浅层月震的地表解，但基于阿波罗月震数据观测到的月壳散射特性，也有研究提出更深部月壳震源。然而散射特性测量表明，表面撞击事件的衰减时间与浅层月震群体存在显著重叠，这支持了浅层月震的近地表震源假说。

在20次重新定位的浅层月震中，有10次确认震源和5个二元点云在地表存在解，共得出17个可能的震中位置（图2b）。所有17个重新定位的震中点云或簇群要么包含测绘的断层陡坡，要么位于其附近（图2b）。在这17组具有同等可能性的震中位置点云和簇群中，我们根据其与测绘断层陡坡的接近程度（最小距离）筛选出17个震中。重新定位的震中与测绘断层陡坡之间的距离范围约为3至292公里。为更可靠地将特定震源与测绘陡坡相关联，必须设定一个极限距离，超出该距离的月震与断层将被视为无关联。

浅层月震引起的地面运动范围取决于地震事件的震级。月球中地震波的衰减程度远低于地球，而严重破碎的月球巨砾岩中地震波的强烈散射将表面波和体波能量扩散成持续超过一小时的地震尾波。在这些断层附近发现的小型陨石坑退化或缺失现象延伸至断崖数公里外，为强烈地震摇晃提供了证据。陨石坑退化速率也提供了佐证：阿波罗17号Taurus–Littrow valley（北纬约20.1度，东经30.7度）玄武岩区小型陨石坑的退化速率高于阿波罗16号Cayley plains （南纬约9度，东经15.5度），且退化陨石坑的深度-直径比不随距离Lee-Lincoln scarp（距离>15公里）的变化而改变。这表明Lee-Lincoln thrust fault的滑移事件可能导致整个Taurus–Littrow valley都经历了强烈的地震摇晃。

为了评估浅层月震预期引起显著地面运动的断层崖距离，我们针对Mandel’shtam群典型叶状崖上的事件进行了地震震动模拟。最大地震矩等同于根据弹性位错模型（受Mandel’shtam崖地形约束）获得的断层几何形态、深度及累积位移最优拟合参数估算的总地震矩。采用基于Worden等人提出的地表震动烈度表，Mandel’shtam崖周边垂直地面运动分量达到强震动峰值的距离约为30公里，水平分量约为17公里（图3）。因此我们提出：典型断层崖滑动事件产生的地震震动效应可延伸至约30公里（月面约1°），并以此估算值界定重定位震中与邻近断层崖无关的极限距离。若包含中等强度峰值震动，该极限距离可延伸至约60公里（图3）。

图3 | Mandel’shtam冲断带逆冲断层滑动事件的地震动图及预期地面运动。a-d图分别展示了震中垂直向(a)和水平向(b)震动衰减曲线，以及6.36级震源（北纬6.91°、东经161.02°、深度350米的峰值垂直加速度(c)和水平加速度(d)震动图。c和d图中红色线条标示Mandel’shtam逆冲断层，白色等高线（等高距500米）表示区域地形。加速度以分贝值表示（1分贝=20log10(A/Aref)，其中A为振幅，Aref为月球参考重力加速度1.62 m/s²），因此40分贝差异对应约100倍的振幅衰减。a和b图中的红色曲线为垂直与水平运动分量数据点分布的最佳幂律拟合线（决定系数r²分别为0.54和0.33）。

事件的源和到时

重新定位的震中与叶状陡坡之间的最小距离分析表明，17个震源中有8个符合我们设定的30公里标准（图2b）。为验证这8个重新定位震源的邻近性是否随机，我们生成了10,000组包含17个随机震源位置的数据集。结果显示，在170,000个随机地震位置中，仅有不足4%出现在距断层陡坡30公里范围内，且10,000组数据中没有任何一组能在30公里范围内产生超过5个随机地震位置。即使将最小距离扩大一倍，10,000组中也仅有3组能在距陡坡60公里范围内出现8个及以上随机地震位置（补充图3d）。这表明多数重新定位震源与已测绘陡坡的紧密关联并非随机现象。

我们进一步将记录的浅月震发震时间与阿波罗地震实验期间的地月距离（EMD）相关联。数据显示，在28次浅月震中，18次发生于月球接近远地点时（图4a），8次发生于近地点附近，另有2次发生在远地点与近地点之间。在地月距离图表中（图4a），除月周期变化外，还能观察到由太阳摄动引起的206天长周期调制。对时间序列解调显示浅月震发震时间存在明显的非随机分布（图4b）。18次"近远地点"月震发生时，其地月距离与远地点距离的差值均在15,000公里以内（图4c）。这类事件的聚集可能反映：月球在远地点的轨道速度比近地点慢约114米/秒，因此应力在远地点及其附近积累的时间比轨道其他位置更长。据此，我们将发生在远地点距离15,000公里范围内的事件定义为近远地点事件。

为验证阿波罗地震台网记录的少量浅月震在远/近地点聚集是否随机现象，我们生成了10,000组28个随机事件数据集。与实测数据对比发现，随机数据组中出现在远地点15,000公里范围内事件的中位数为12次，仅有不足4%的随机组能达到18次或以上（图4d）。此外，随机地震的分布近似正态分布（图4d）。28次地震中有18次发生在远地点15,000公里范围内的随机概率P值约为0.01。由此判定近远地点事件的观测聚集并非小样本量导致的假象。在8个距断层陡坡30公里范围内且具有地表解的重定位震源中，有6个属于发生在远地点15,000公里范围内的18次月震。若将限制距离扩展至约60公里，则另有2次月震进入该范围。

图4 | 阿波罗地震实验期间的近地点距离变化。a、浅层月震以圆点表示，颜色代表震中重定位云分类（红色：confirmed；蓝色：binary；绿色：fragmented）。除月周期变化外，还可观察到由太阳摄动引起的206天长周期调制。b、解调图消除了太阳摄动导致的206天周期，仅保留月周期变化。在18次近地点事件中，6次接近远地点，12次远离远地点。c、浅层月震发生时与远地点的距离直方图。28次浅层月震中，有18次发生在月球距离远地点不足15,000公里范围内（定义为近远地点事件）。d、在10,000组随机生成的28次地震中，距离远地点15,000公里范围内事件数量的直方图。这些随机地震事件的时间分布介于首次和末次记录的浅层月震之间且均匀分布。近地点15,000公里范围内的随机地震数量（红线）与正态分布高度吻合。

如果在远地点发生的浅层月震与逆冲断层陡坡上的同震滑动事件有关，那么它们的震中位置应对应于近地表应力峰值区域。月球当前的应力状态主要受内部冷却导致的径向收缩主导，根据目前已测绘的叶状逆冲断层陡坡群估算，这种收缩应力贡献≥2但<10兆帕。叠加在收缩压应力σc之上的还有两种潮汐应力分量：轨道退行应力σr和昼夜应力σt。潮汐应力模型显示其主要由σr主导，可能超过200千帕。另一个可能影响当前月球应力状态的应力分量是极移。真极移被归因于月球惯性矩因普罗塞拉勒姆盆地下方低密度热异常24发生的变化。极区位置变化与观测到的残余极区氢沉积物分布一致。过去十亿年间约3°极移产生的应力σw量级约为±8千帕。

模型表明，最大压应力出现在远地点时，近地点和反地点附近的应力峰值至少超过2.2兆帕。月球近地表强度包络线模型显示，约2-7兆帕的应力足以促使浅层逆冲断层发育。超过2兆帕的峰值压应力范围远超出潮汐轴附近区域，覆盖了月球表面大部分区域（图5）。由于近地点的天平动，月球表面任一特定位置的最大局部压应力可能在远地点前后数天出现。对六次发生在断层陡坡30公里范围内的近远地点重定位浅层月震的检验表明，它们都位于应力峰值>2兆帕的区域。进一步分析这六次近远地点浅层月震时空位置的应力水平显示，其中五次发生在压应力峰值或临近峰值时刻（图5）。若将临界距离扩展至60公里，则另有两次事件符合该条件（图5）。

图5 | 月球当前近地表应力状态图。综合模型应力包括：(1) 全球收缩产生的2兆帕各向同性压应力，(2) 轨道离心作用，(3) 真实极移3°效应，以及(4) 远地点处的昼夜潮汐应力。最大压应力与最小压应力等值线分别以黑色和蓝色标示（100千帕等值线间距）。红色线条表示最大压应力方向。黑色圆圈(N#)标注远地点附近发生在断层崖30公里范围内的浅源月震，同时展示距断层崖60公里范围内的月震事件(N#)（参见图4a）。

近期活动的证据

靠近重新定位的月震活动区域且具有地表解译特征的叶状陡坡，是近期地质活动的首要候选证据，因而可识别为明确的地表表征。活动迹象可能表现为：受下坡蠕动或滑坡扰动的月壤层暴露出新鲜物质，其反照率高于周边因空间风化作用而变暗的成熟月壤；出现在相对高反照率区域的巨石场也可能是近期地表变化的佐证。此类特征通常出现在倾斜度较大的陡坡面或邻近高坡度区域（如撞击坑壁）。新鲜巨石场的典型实例见于Vitello簇群某陡坡的斜面（图6a）；而潜在反照率特征的例证则与Gemma Frisius C环形山和Mouchez L环形山附近的陡坡相关联（图6b,c）。这些反照率特征既出现在陡坡表面也分布于坡脚基部，无法用简单的光照条件或观测几何伪影来解释。

近期活动的另一证据是巨石移动或坠落时在斜坡滚动弹跳形成的轨迹。巨石通常分布于断层面附近，可能是由相关逆冲断层同震滑动事件触发的下坡运动所堆积。薛定谔盆地叶状陡坡附近的巨石轨迹被归因于地震震动引发的新近落石现象。Lee-Lincoln scarp距Taurus–Littrow valley,（阿波罗17号着陆点所在地）重新定位的震中约13公里（图2b）。阿波罗17号宇航员曾对北山斜坡上的巨石及其轨迹进行过考察。位于阿波罗17号6号与7号工作站的巨石距Lee-Lincoln scarp约5公里（图6d）。除Taurus–Littrow valley的落石与退化小陨石坑外，南山的大规模滑坡（覆盖Lee-Lincoln scarp南段）及雕刻山群的泥石流可能是同震滑动事件的进一步证据。

一个小型退化陨石坑内坡上的巨石也可能是地震摇晃的证据，这些巨石位于陡崖面附近处，呈平行于陡崖走向的排列（图6e）。如前所述，地震摇晃可能导致某些尺寸范围的陨石坑数量不足或缺失，并影响小型撞击坑的退化速率。

利用LROC（月球勘测轨道飞行器）窄角相机（NAC）时间序列图像对寻找近期变化（在LRO任务期间）的证据，可能为当前年轻逆冲断层活动提供最佳案例。验证我们的假设——浅层地震事件与年轻逆冲断层有关，且当月球处于或接近远地点时同震滑动事件发生率更高——最终需要通过部署新的长效月球地球物理网络来实现。特别是，该网络可调查远侧浅层地震及其他近侧断层事件的分布情况。

图6 | 重新定位的浅层月震附近断层陡坡近期活动性的可能证据。a，维泰罗簇（34.4°S，37.9°W）一处显著的叶状陡坡。具有较高反照率月连续谱特征的巨石场出现在陡坡面和背坡地形上（白色箭头）。月球轨道器相机窄角镜头图像框M190844037LR。b，双子座αC叶状陡坡（36.1°S，18.7°E）坡面的反照率特征（白色箭头）。该陡坡距最近重新定位震中约120公里。窄角镜头图像框M124449632R。c，穆谢L叶状陡坡（77.9N，36.3°W）坡面的反照率特征（白色箭头），距最近hird震中约25公里。窄角镜头图像框M1119172889L。d，北山脉斜坡（20.3°N，30.8°E）的巨石及滚石轨迹，位于Lee-Lincoln scarp以东约5公里处。大型滚石为阿波罗17号6号测站滚石。该陡坡距Taurus–Littrow valley最近重新定位震中约11公里。窄角镜头图像框M134991788R。e，维泰罗簇某叶状陡坡（34.69°S，37.89°W）背坡地形中直径约300米的退化撞击坑内，滚石呈平行于断层陡坡走向的排列方式。窄角镜头图像框M190844037L。

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