火山作用是月球最重要的地质活动之一，理解其过程和机制对理解月球的演化历史至关重要。通常情况下，由于早期月球内部热膨胀导致上覆岩石圈受张力发生破裂，裂隙为岩浆上涌喷发提供了通道，从而形成月表火山及火山地貌。相反，褶皱山脉则是内部冷却体积收缩引起或来自外部横向压力导致的岩石圈挤压变形，从而闭合岩浆通道，不易发生火山喷发。自阿波罗月球探测以来，火山喷发与褶皱山脉的成因一直是月球科学研究的热点话题，至今依然存在许多争议和未解之谜，其中，压应力环境下的火山喷发机制一直是科学界未曾解决的谜团。
中国科学院国家空间科学中心行星环境与演化团队领导的国际研究小组，通过分析月球轨道探测器的影像数据，在多个月球大型撞击盆地内部发现30余处火山口位于褶皱山脉上（图1）。通过分析月球大型撞击盆地形成及演化过程、火山喷发机理及运用比较行星学方法（与地球类比研究），研究团队提出了月表冷却收缩压应力环境下的火山喷发机制模型。该模型为月球火山喷发与褶皱山脉共生现象这一未解之谜提供了合理的机制和解释。
图1. 位于褶皱山脉上的火山口（白色箭头）及熔岩冲蚀出的形似河道的熔岩沟渠。
理解构造-火山相互作用机制对研究月球外动力（大型撞击事件）和内动力（岩浆作用）耦合作用下的月球（热）演化历史有重要意义。根据目前对月球的认知，月球表面来自月幔的火山喷出岩几乎都分布于大型撞击盆地及周缘凹地内部，这归因于大撞击事件削薄了月壳，加上对月壳的冲击破裂，因此形成了有利于岩浆上升并喷发的环境。大型撞击盆地内部填充的火山岩厚度可达几公里，大致沿盆地中心向外逐渐变薄。盆地底部早期撞击熔融物和上覆火山喷出岩与月壳之间形成了一岩性（包括矿物成分和密度）存在明显差异的不连续界面，而目前月球科学界普遍认为，与褶皱山脉形成有关的断层作用其影响范围局限于此界面以上（即盆地底部月壳以上的盆地填充物内），而岩浆储库和源区则位于月幔。因此，褶皱山脉上的火山喷发与月幔源区之间的关联一直缺少合理的解释。
撞击坑或盆地内部填充了火山岩后，在重力和岩石冷却收缩作用下，之后的月幔岩浆很难再发生上涌和喷发。而我们发现的位于褶皱山脉上的火山口及喷出物（如图2）则证明了在月壳冷却收缩压应力环境下，褶皱山脉的形成伴随着火山喷发。
图2. 位于月球正面大型撞击盆地-雨海南部的褶皱山脉上的火山口及喷出的熔岩堆积地貌。
基于目前对月球大型撞击盆地构造演化和火山喷发机制的认识，结合地球类比研究，本研究提出了构造反转模型，可对上面提到的现象及涉及的难题进行合理的解释：（1）月球大型撞击盆地往往是多环盆地，是盆地形成初期重力均衡调整的结果，在远离中心的环和最外盆缘之间形成一系列规模不等的高角度月壳断裂或断层（呈现环绕盆地中心分布），早期张应力环境下，沿断裂面的两侧岩体发生相对运动，称之为正断层（图3a和3b），某些正断层可延伸到下月壳；（2）早期火山喷发物填充到盆地内部（图3b暗色部分），之后是后期火山喷发填充（图3b浅灰色部分）；（3）随着时间推进，区域张应力环境转为横向挤压应力主导（图3c），之前存在的正断层被重新激活转为逆向运动，断层面两侧的岩体发生反向运动（类似逆断层），导致月表形成褶皱山脉，这一过程已在地球上某些地质环境下得到研究和验证。同时，调整过程中，逆向断层运动会导致上面岩层断裂产生新的断层或张裂隙，从而从月表到月壳内部由断层相连，通道被打通，进而为上月幔的岩浆上升和喷发提供了可利用通道。而低粘滞度的玄武岩浆填充到断层内部，起到了润滑剂的作用，进一步促进岩体相对运动。
图3. 本研究提出的月表压应力环境下火山喷发机制模型。（a）盆地纵向剖面及内部构造和填充物示意图；（b）早期盆地区域张力环境；（c）后期转为横向挤压应力为主导，早期正断层发生逆向反转而逆向运动，导致月表形成褶皱山脉和产生断裂或断层等薄弱地带，为岩浆上升和火山喷发提供了有利通道。
此类现象易发生于盆地底部存在正断层的区域，即盆地环和边缘地带，我们识别出的30个案列几乎都分布于远离盆地中心的环和边缘区域，观测结果与模型预测相契合。该研究成果发表在Nature Communications上，研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院重点部署项目的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38615-1
Feng Zhang, Alberto Pizzi, Ruj Trishit, Goro Komatsu, An Yin, Yanan Dang, Yang Liu, Yongliao Zou, 2023. Evidence for Structural Control of Mare Volcanism in Lunar Compressional Tectonic Settings. Nature Communications, 14:2892. https://doi.org/10.1038/s41467-023-38615-1
（供稿：天气室）
