編者按：習近平總書記指出：“科技創新廣度顯著加大，宏觀世界大至天體運行、星系演化、宇宙起源，微觀世界小至基因編輯、粒子結構、量子調控，都是當今世界科技發展的最前沿。科技創新深度顯著加深，深空探測成為科技競争的制高點，深海、深地探測為人類認識自然不斷拓展新的視野。”深空、深海、深地、地球系統（三深一系統），是滿足人類大的好奇心的科學研究領域，而與之相關的對地對空探測則是關鍵技術前沿。随着我國航天強國計劃（如2028年火星樣品返回、小行星探測等）的實施，行星科學必将成為下一個新興的科技方向。因此，beat365官方网站在新一輪“雙一流”學科規劃中，進行了大力度的學科整合，将原來的3個一級學科整合到“地球與行星科學”一個學科領域。圍繞以上背景，我們推出“beat365的行星科學研究”系列報道，結合學院近期在行星科學領域取得的科研成果和研究團隊，向全校師生介紹“行星科學”這樣一個古老而又年輕、充滿魅力的學科。

月球距地球38萬公裡，是距離地球最近的星體。它自45億年前就陪伴着地球，和地球潮汐鎖定，因此分為了近地面和遠地面。阿波羅樣品和嫦娥樣品數據顯示月球岩石的化學成分與地球十分相似，可以認為地球和月球有一定的共源。遙感觀測幫助我們清晰的辨認月球表面。月球的表面幾乎沒有大氣，隻有從風化層飄起的塵埃。月球的地表地形呈正面低地、背面高地的不對稱結構，在近地面是廣泛分布的月海玄武岩而在背面則，是大量非常古老的斜長岩。從更微觀的礦物和元素來看，月球近地面富集月海玄武岩區域同時也有部分富含鉀（K）、稀土元素（REE，包括U和Th）和磷（P），這在月球研究中一般簡稱為放射性KREEP（圖1b）。因此近地面富集月海玄武岩的部分一般被稱作Procellarum KREEP Terrane (PKT)。此外月海玄武岩裡富含钛鐵礦（FeTiO3），是上好的工程用材料（圖1a）。随之而來的科學問題是為什麼放射性元素和工程用礦物钛鐵礦都富集在月球近地面的北面？钛鐵礦礦藏有什麼分布規律？

圖1.月球觀測到的钛鐵礦（a）和钍元素（b）的分布。模型預測的钛鐵礦（c）和钍元素（d）的分布。白線輪廓代表了South Pole Aitken盆地的重力異常邊界。圖源于Zhang et al., 2022.

地空學院張南副教授領導的地球與行星動力學課題組一直研究類地行星和冰衛星的結構和起源，之前的樣品和觀測來源于NASA，近幾年嫦娥任務為月球研究提供了新的數據和約束。從NASA和嫦娥任務的數據庫裡，課題組陸續地注意到月球上大的隕石坑發生的時間都集中在月球放射性元素和钛鐵礦在近地面集中之前。這就涉及到月球表面的另一重要地質現象：月球上遍布的隕石撞擊坑。人類迄今在月球表面識别出了上萬個隕石撞擊坑。其中最具特色的是位于南極的South Pole Aitken撞擊盆地，這是月球表面最大的撞擊傷痕。它在42億年以前形成，正在放射性元素和钛鐵礦形成之前。它是一個斜撞擊，精确的撞擊中心在南極偏向遠地面，從空間分布來看，正在放射性元素和钛鐵礦聚集區的極對稱位置。

圖2.月球表面隕石撞擊盆面積地大于300km的盆地的分布。圖修改自Fassett et al., 2012.

張南指導研究生李華成、李昊遠嘗試模拟了這個斜撞擊過程以及聯動的钛鐵礦驅動的重力失穩過程。非常好地重複出了觀察到的放射性元素和钛鐵礦在近地面北面的聚集（圖1c和d）。最近這個結果“Lunar compositional asymmetry explained by mantle overturn following the South Pole–Aitken impact”發表在Nature Geoscience上。這個研究揭示了行星内部密度結構和外部隕石撞擊在塑造行星淺表層形态和礦藏分布方面的決定性控制作用，是人類理解類地行星結構和演化的進步。

張南課題組一直在研究月球、類地行星、和冰衛星精細結構的控制機制和礦藏分布規律。課題組部分同學在模拟木衛二（Europa）冰水相變面的時空演化，為尋找木衛二可能的大分子生命提供破裂地點，同時也開始了火星殼幔邊界形态的研究。因為地球、太陽系類地行星、和冰衛星的結構演化機制與動力學過程是了解太陽系行星演化和人類起源環境的重要窗口，也是利用行星資源必須的預研步驟。新一輪行星探測高潮已經到來，人類已經對行星礦産和殖拓類地行星提出了明确需求。月球作為殖拓類地行星的中轉站，所有的可開采礦藏和基地建設方法必須加快研究。因此對類地行星熱化學結構的研究不僅有理論意義，更有資源工程上的意義。