2013年12月14日，我国的嫦娥三号探测器顺利着陆于月球雨海盆地北部年青（约25亿年）的玄武岩流上，它随后开启了着陆器就位探测和“玉兔”月球车巡视探测，使我国成为世界上第三个独立实施月球软着陆的国家。除全景相机外，“玉兔”月球车还携带了其它三个科学载荷，分别是探月雷达、可视-近红外成像光谱仪和粒子激发X射线谱仪。在正常工作的两个月昼内，它对月壤进行了2次粒子激发X射线谱分析和4次可见-近红外成像光谱分析，并获取了1条近百米长的测月雷达剖面（图1）。
图1 嫦娥三号着陆区和玉兔号月球车探测轨迹。
A和B是着陆区内两个较大的撞击坑。红色五角星代表嫦娥三号着陆位置，黑色线条为玉兔号的探测轨迹。LS1和LS2分别指示2次粒子激发X射线谱分析位置，CD5~8指示4次可视-近红外成像光谱分析位置。
为了“出好成果、快出成果、多出成果”，中国科学院月球与深空探测总体部组织院内外科学家，成立了5个科学应用研究核心团队。“嫦娥三号任务月球区域地球化学与构造动力学演化模型”团队，在责任科学家中科院地质与地球物理所林杨挺研究员的带领下，与月球车载荷研制单位（中科院电子所、高能物理所、上海技物所等）和月球探测地面应用系统密切配合，建立了3个科学探测载荷的数据处理方法，获取了着陆区月壤的化学组成、矿物组成、月壤厚度及其下覆三套玄武岩（深度分别195米、215米和345米）等系列成果，揭示了雨海盆地多次大规模火山喷发的历史。
核心团队从可见-近红外成像光谱数据解译出着陆区月壤的矿物组成、光学成熟度、以及FeO和TiO2含量，其中矿物组成与阿波罗月海盆地的月壤样品类似。从粒子激发X射线能谱获得了月壤12种元素的准确含量，与阿波罗月海月壤样品相比，着陆区月壤含有高的FeO（21.3–22.1 wt%）和TiO2（4.0–4.3 wt%），低的Al2O3（10.5–11.5 wt%），说明下覆玄武岩是一种新的类型。特别重要的是，月壤成分中的次要元素K和微量元素Zr、Y和Nb的含量，指示了该玄武岩可能混入了10-20%的克里普组分（KREEP，高度富集K、REE和P，代表月球岩浆洋结晶最后残留的熔体）。基于玉兔的探测结果，该玄武岩可能由富Fe-Ti的月幔源区部分熔融形成，然后在上侵过程中受到月壳底部的克里普岩层混杂，最后溢出月表充填到雨海盆地。同样重要的是，测月雷达探测到这一年青的玄武岩单元厚达195米，说明在晚至25亿年左右，雨海盆地仍有大规模的火山喷发。该区域的火山活动能持续很晚的原因，可能是雨海-风瀑洋地区富集了放射性元素U、Th和K。
此外，玉兔号也是首次利用雷达在月表实测月壤厚度。借用地震勘探领域的瞬时频谱分析和偏移成像等信号处理技术，获得了着陆区的月壤厚度结构和厚度。雷达信息剖面显示，月壤具有分层结构，其顶部分层厚约0.7米、均一且贫石块，而底界有一定的起伏，平均厚度约5米（图2）。由于月壤是小行星撞击月表岩石形成，其厚度与年龄正相关。着陆区的年龄明显小于其他月海区域，但实测厚度明显大于后者的估算值（2-4米），说明全月球的月壤厚度可能被低估。由于氦-3和氢等重要资源主要赋存于月壤，这一结果对这些重要资源量的估算有较大的影响。
图2 探月雷达高频通道获取的着陆区月壤剖面。
黑色粗线为上层细粒“月尘”层底界，红色曲线为月壤的底界面，空心圆点为时频分析给出的月壤与基岩分界点。虚线为5米深度。
不同于返回月球样品的实验室分析，玉兔是在月表对原始产状的月壤做就位的化学组成和光谱分析，其结果可作为月球轨道遥感探测数据的校正标准，从而解译出全月球的化学和矿物组成。
该研究成果于2015年4月14日发表在国际著名学术期刊Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America（Zhang et al. Volcanic History of the Imbrium Basin: A Close-up View from the Lunar Rover Yutu. Proceedings of the National Academy of the Sciences of the United States of America, 2015, doi:10.1073/pnas.1503082112）。
原文链接：http://www.pnas.org/content/early/2015/04/08/1503082112（PDF文件下载）
