月球是地球最近的邻居，也是探索太阳系起源和演化的重要窗口。但是，月球内部的结构和成分仍然存在许多未解之谜，比如月球是否有一个液态的铁核？月球地幔是否发生过翻转或混合？月球内部是否含有水？这些问题都关系到月球的形成和演化历史，以及月球对地球的影响。
为了解答这些问题，一种有效的方法是利用电磁探测技术。电磁探测是一种地球物理方法，它可以利用太阳风或磁层中的磁场变化激发月球内部的感应电流，从而反映出月球内部的电导率分布。电导率又与温度和成分密切相关，因此通过电磁探测可以推断出月球内部的温度和成分信息。
最近，美国西南研究所的Robert E. Grimm博士发表了一篇论文，利用阿波罗12号月面观测站和探险家35号卫星的磁场数据，通过计算磁传递函数，反演了月球内部的电导率剖面，并结合实验室测量的不同矿物的电导率公式，推断出月球内部可能存在的矿物组成和铁含量。这项工作为揭示月球内部结构和演化提供了新的线索和证据。
在这篇文章中，磁传递函数（TF）被定义为月球表面测量的磁场与远处位置测量的磁场的比值。这也定义了源磁场Bs和感应磁场Bi之间的关系。具体来说，磁传递函数可以表示为：
A = Bsurf/Bdist = (Bs+Bi)/Bs
其中，Bsurf是在月球表面测量的磁场，Bdist是在远处位置测量的磁场，Bi是感应磁场，Bs是源磁场。磁传递函数的物理意义是，它反映了月球内部电导率结构对磁场变化的响应。通过分析探测器和登月站之间的磁场传递函数的频率依赖性，我们就可以反演出月球内部的一维电导率剖面，从而了解月球内部的结构和组成。文章中的磁传递函数数据来自阿波罗12号和探险家35号的测量。这些数据包括低频（LF）传递函数（来自Hood等人，1982年）和高频（HF）传递函数（来自Sonett等人，1972年）。这些数据的频率范围从0.01到1 mHz（毫赫兹），以及0.5到40 mHz（图1）。
图1 高低频合并后的磁传递函数方位(切向)分量数据
论文首先利用低频（0.01–1 mHz）的磁传递函数数据，反演了月球深部（400–1200 km）的电导率剖面，并与前人的结果进行了比较和讨论，得到了与Khan等人（2014）一致的模型（图2左列）。结果表明，月球深部电导率随深度单调增加，反映了温度和铁含量的上升。作者根据不同的温度模型和矿物组成模型计算了月球深部可能存在的橄榄石和斜方辉石的镁铁比（Mg#），并发现其近似恒定在81±10左右，与月球玄武岩源区的模型一致（图3左）。这可能意味着月球深部地幔是均一或近似均一的，这可能是由于之前的地幔混合或者是原始岩浆洋结晶后没有发生翻转所致。另一方面，重力稳定的堆积层结构可以排除，因为它会导致铁含量随深度呈现强烈的梯度变化，而这与观测不符。
图2 低频（左列）、全频（中列）及高频（右列）反演结果的一维电导率剖面（上排）及磁传递函数数据拟合情况（下排）。其中每列表示基于正态分布假设随机抽取磁传递函数得到的45个反演结果的统计情况，虚线为中位值模型，绿色与粉色线为前人研究结果。
图3 低频（左）与高频（右）电导率模型计算得到的铁含量分布曲线，其中不同曲线代表不同的温度与矿物组成模型，红色线为前人研究结果。
之后，作者又利用高频（0.5–40 mHz）的磁传递函数数据，反演了月球上部地幔（200–400 km）的电导率剖面，并考虑了多极子效应。结果显示，月球上部地幔有较高的电导率，可能与早期月球演化有关（图2右列）。作者选择了固定Mg#为81，并将剩余的电导率变化用含水量来解释。结果表明，月球上部地幔含水量约为几十到几百ppmw。这可能反映了原始岩浆洋结晶后未发生翻转或者后期发生了混合所留下的水的痕迹。
作者指出，本文利用阿波罗12号和探险家35号卫星提供了罕见而宝贵的数据资源，但也存在一些局限性和不确定性。例如，数据的质量和数量有限，数据的处理和分析方法有待改进，正演和反演模型有一定的简化和假设，电导率与温度和成分的关系有一定的模糊性和多解性。作者还尝试了将高频传递函数数据与低频数据合并，以期解析更浅层结构，但得到了不合理的高电导率值（图1中列），认为高频传递函数方法可能存在问题。因此，作者建议未来进行更多的电磁探测实验，以获取更高质量和更高频率的数据，以及利用大地电磁方法来探测月球上地幔的关键区域。作者认为，电磁探测是一种强大而灵活的工具，可以与其他地球物理方法（如地震学、重力学、热流学等）相结合，以更好地揭示月球内部的奥秘。
原文信息：
Grimm, R.E., 2024. Lunar mantle structure and composition inferred from Apollo 12 – Explorer 35 electromagnetic sounding. Icarus 407, 115775.
https://doi.org/10.1016/j.icarus.2023.115775
