一、月球地質概述
月球是一個無大氣、無水、無生命、冷熱劇變的天體。其表面可分為高地、月海撞擊坑和火山地形等。月球的地質歷史復雜，對其研究有助於了解太陽系的早期環境。
月球的月陸和月海是其最顯著的特征，覆蓋了月面約 4/5 的面積。已知的月海有 22 個，絕大多數分布在月球的向陽面，最大的月海是風暴洋，面積約 500 萬平方公裏。月陸地區一般高出月海水準面約 2～3 公裏，上面分布有連續的、險峻的山脈或山系，月球上最大的山脈是亞平寧山脈，長達 1000 公裏，高出月面 3000～4000 米。
關於月海和月坑的成因，大多數學者都主張隕石（或小行星和彗星）撞擊說。據計算，雨海可能是由一個直徑為 20 公裏的小行星體以 2.5 公裏 / 秒的速度轟擊月表形成的。「阿波羅」 14 號的登月艙正好在雨海盆地的沖擊濺射堆積物上著陸，采集的巖石樣品幾乎全部由復雜的角礫巖組成並顯示明顯的沖擊和熱效應特征，有力地支持了隕石撞擊成因說。
從月球表面采回的樣品大致可分為結晶質火成巖、角礫巖、月壤和玻璃顆粒三類。巖石型別有月海玄武巖、非月海玄武巖和富凱瑞普巖。在月巖中已發現 3 種地球上沒有的新礦物。月壤由不同比例的結晶質巖石、角礫巖碎片、礦物顆粒及玻璃組成。
月球的地質作用主要包括火山及撞擊成坑作用，以及太陽風和宇宙線對月表物質的侵蝕作用。月表物質的暴露年齡測定結果表明，月壤的平均暴露年齡約為 4.00×108 年，月巖的暴露年齡範圍為 1×106～7.00×108 年。在最近 3×109 年以來，很少或沒有火山作用。
月球沒有磁場，局部月巖的剩余磁場強度約為 6～300 納特，表明月球內部可能無金屬核，月球中心的溫度不超過 1500℃。月震每年釋放的能量約為地震釋放能量的百萬分之一，其震源的深度為 800～1000 公裏。月球是一個分異天體，內部構造大致可劃分為月殼、月幔和月核。
二、重大發現與研究進展
（一）嫦娥五號月壤研究
2021 年，中國科研團隊利用嫦娥五號月壤樣品，在國際學術期刊【自然】發表研究成果，確認約 20 億年前月球還 「活著」，將月球地質生命 「延長」 了 10 億年。9 月 6 日，【自然】再次刊發中國科研團隊對嫦娥五號月壤研究的最新成果，月球地質生命再一次 「延長」：在 1.2 億年前，月球仍存在火山活動。科研團隊從約 3 克嫦娥五號月壤中挑選出約 3000 顆玻璃珠，經過層層篩選和精準定年，確定了 3 顆形成於大約 1.2 億年前的火山玻璃珠，這表明當時月球上還存在火山活動。這些發現對以往的月球熱演化模式提出了更大的挑戰，也為進一步探索月球的演化歷史提供了新的線索。
（二）嫦娥六號著陸區研究
今年，嫦娥六號探測器從月球背面帶回 1935.3 克月壤，實作世界首次月背采樣返回。科研人員對嫦娥六號著陸區阿波羅盆地的深部結構與地質演化歷史進行研究。利用高分辨率光譜數據，辨識了代表原始月殼成分的亞鐵斜長巖。綜合利用多種數據，重新進行地質填圖，並繪制了區域地質剖面圖。研究揭示了阿波羅盆地區域深部結構及其演化過程，為理解該區域地質演化歷史以及嫦娥六號月壤樣品分析提供了重要支撐。
（三）月面潛在可進入洞道發現
【自然 - 天文學】最新發表的論文稱，研究人員發現月球上源自一露天坑的潛在可進入地下洞道的證據。透過分析來自月球勘測軌域飛行器的靜海坑雷達數據，發現坑底西側可能存在洞穴或管道，位於 130 - 170 米深處，長 30 - 80 米，寬約 45 米。這個洞穴可能是平坦的或呈最大 45 度角傾斜，而且可能可以進入。該發現或可成為月球基地的理想選址，為未來月球表面載人任務中充當庇護所提供了潛在可能。
（四）月巖形成新線索揭示
研究揭示月巖形成的新線索，月球的地質歷史可以追溯到約 45 億年前，比地球還要早。科學家們利用阿波羅任務中的巖石樣本，對月球內部的巖石進行分析，以了解月球內部的地質歷史和月巖形成的過程。在研究中，科學家們發現月球巨石的成分和地球上的巖石極為相似，進一步證明了月球和地球之間的密切關系。同時，研究還發現月球巨石似乎被其他物質覆蓋了很厚的一層，表明在月球的歷史上，可能曾經存在過大規模的火山噴發或撞擊事件。
（五）嫦娥三號地質研究成果
中國地質大學等單位對嫦娥三號著陸器和月球車 「玉兔」 的數據進行初步分析，發現月球地質史比此前認為的更為復雜。嫦娥三號透過分析低頻雷達淺層數據，推測出月球雨海北部年輕的愛拉托遜紀熔巖流具有多期性，並對一些構造演化提供了新的約束。嫦娥三號還完成了首幅月球地質剖面圖，展現了月球表面以下 330 米深度的地質結構特征和演化過程，並行現了一種全新的巖石 —— 月球玄武巖。此外，嫦娥三號在月球地形地貌、淺表層地質結構、月基天文觀測以及地球電漿觀測等方面取得一系列創新成果，共發表學術論文近百篇。
三、月球地質特征
（一）月貌特征
月海 ：月球上肉眼所見暗黑的區域稱為月海，是廣闊的低平原，沒有水。現在認為是古代玄武巖熔巖的巨大凝固池，與地球上的玄武巖相似但具有更多的鐵且無礦物質被水侵蝕過。已知的月海有 22 個，絕大部份分布在月球正面，最大的月海是風暴洋，面積約 500 萬平方公裏。
高地 ：觀察所見月表明亮部份稱為月陸，反照率較高所以看起來明亮。月陸是月面上的高地，為大面積的熔融結晶的巖石覆蓋，是月球最古老的巖石，年齡約 41 - 46 億年。
撞擊坑 ：是月面上最顯著的特征，直徑大於 1km 的環形山總數約 33000 多個。絕大多數環形山為隕星撞擊而成，少數是火山造成。大且復雜的環形山坑壁呈台階狀，中央有突起；年輕的環形山周圍還保留有清晰的放射線狀的濺射物，稱 「放射線紋」。例如第谷環形山，其直徑 86km，有放射線紋 12 條，最長達 3000km。
峭壁和山脈 ：月面上有一些類似地球上的山脈，且借用地球上山脈名字來命名，如艾爾卑斯山脈、高加索山脈等。其中最長的亞平寧山脈，長 1000km。在月球南極附近的山峰高達 8000 - 9000m。
裂谷和裂縫 ：月球表面存在一些裂谷和裂縫，它們可能是由於月球內部的地質活動或外部的撞擊等原因形成的。這些裂谷和裂縫記錄了月球漫長歷史中的地質變化。
月壤 ：月面覆蓋著一層由不同比例的結晶質巖石、角礫巖碎片、礦物顆粒及玻璃組成的月壤，直徑小於 1 公釐的顆粒。舊表面的風化層通常比較年輕的表面厚，在高原地區為 10 - 20 公裏，在月海為 3 - 5 公裏。
（二）月表組成
從月球表面采回的樣品大致可分為結晶質火成巖、角礫巖、月壤和玻璃顆粒三類。巖石型別有月海玄武巖、非月海玄武巖和富凱瑞普巖。在月巖中已發現 3 種地球上沒有的新礦物：靜海石、鐵三斜輝石和低鐵假板鈦礦。與地球玄武巖相比，月海玄武巖的 K₂O、Na₂O 和 Al₂O₃含量較低，FeO 和 Cr₂O₃含量較高。月巖不含水，無三價鐵，但含金屬鐵和隕硫鐵 (FeS)。斜長巖是月球上的古老巖石，主要由富鈣的斜長石組成，含 Al₂O₃約 35%。
（三）地質作用
火山及撞擊成坑作用，對月表的形貌和月表物質的分布特征起重要作用。隕石體撞擊月表時形成撞擊坑，並引起基巖破壞、月壤和角礫巖的形成以及月表物質的再分配。月表物質的暴露年齡測定結果表明，月壤的平均暴露年齡約為 4.00×10⁸年，個別的可達 1.700×10⁹年；月巖的暴露年齡範圍為 1×10⁶～7.00×10⁸年，絕大部份集中在 2.0×10⁷～2.00×10⁸年之間。在最近 3×10⁹年以來，很少或沒有火山作用。太陽風和宇宙線對月表物質起侵蝕作用。
（四）內部構造
月球沒有磁場，局部月巖的剩余磁場強度約為 6～300 納特，表明月球內部可能無金屬核，月球中心的溫度不超過 1500℃。月震每年釋放的能量約為地震釋放能量的百萬分之一，其震源的深度為 800～1000 公裏。月球是一個分異天體，內部構造大致可劃分為月殼、月幔和月核。月殼平均厚度約為 65 千米，在面向地球的月球正面，月殼的厚度平均約為 50 千米，而在背向地球的月球背面，月殼厚度平均約為 74 千米。月殼由斜長巖組成的高地月殼和由玄武巖組成的月海月殼兩大基本單元構成。
（五）地質歷史
月球大約在 46 億年前形成，與太陽系的年齡相一致，月球形成不久分異形成月殼、月幔和月核。大部份月殼可能是在較短的時間（約 1 億年）由月球外層 100～300 公裏的物質熔融形成。形成全月球性的熔融層或巖漿洋大約需要 10⁸～2×10⁸年。形成月殼之後月表遭受到頻繁的隕石體的強烈撞擊，大約在 38～43 億年以前，由於小行星或星子的撞擊形成月海盆地，之後在 31～39 億年以前，由於月球內部深度為 150～450 公裏間物質的部份熔融導致月海玄武巖的噴發並充填月海盆地，約在 30 億年以前全月球性的火山作用基本停止，但有些地區的火山作用一直延續到 25 億年以前。
四、月球地質演化過程
（一）大碰撞假說與巖漿洋形成
大碰撞假說被廣泛接受，認為大約在 45 億年前，一顆火星大小的天體撞擊地球，拋射出的高能量物質留在繞地軌域上，最後吸積形成月球。這次碰撞產生的巨大能量使月球形成一個相當深的全球性的巖漿洋。根據研究，這個巖漿洋可能深達數百公裏。在這個過程中，月球的初始物質組成發生了很大變化，包括高溫的矽酸鹽熔體和瓦斯可能發生強烈的蒸發作用，造成水和揮發性組分的大量遺失，相當一部份物質來自原始地球，以及大部份金屬加入地球等。
（二）巖石和礦物的形成
巖漿洋的結晶分異和固化是月球巖石和礦物形成的關鍵過程。最早結晶的是橄欖石和輝石，因重力作用而堆積在月幔的下部，由純橄巖和方輝橄欖巖組成。當巖漿洋結晶程度到 80% 左右的時候，斜長石開始結晶，由於其密度小，在巖漿分異過程中長石上浮，在月球表面形成一個 40 - 45km 厚的斜長巖月殼。當巖漿洋結晶程度到約 95% 的時候，鈦鐵礦開始晶出。隨著巖漿洋的不斷固化，月殼與月幔發生持續分異，殘留巖漿中的不相容元素含量逐漸升高，最終在月幔與月殼之間形成富集鉀（K）、稀土元素（REE）、磷（P）的凱瑞普巖（KREEP）。由於鈦鐵礦的密度大於矽酸鹽礦物，因此在巖漿洋分異晚期，在月幔上部形成的堆晶層具有重力不穩定性，透過物質對流翻轉沈到月幔下部，與先前堆積的矽酸鹽發生混合，從而形成不均一的月幔。
（三）嫦娥四號揭示月背地下淺層結構
2019 年 1 月，中國發射的嫦娥四號探測器成功在月球背面的馮卡門坑著陸，成為第一個在月球背面軟著陸的探測器。著陸數小時後，「玉兔二號」 月球車從嫦娥四號釋放。利用玉兔二號月球車搭載的測月雷達，中國科學家首次揭露了月球背面著陸區域地下 40 米深度內的地層結構。
根據目前傳回的物性參數和雷達影像，沿著玉兔二號月球車行走的 106 米的路徑，其下方 40 米的地層呈現出清晰的三層：最表層為地下 0 - 12 米，主要由細粒月壤組成，其中嵌有少量碎石；第二層為地下 12 - 24 米，這一層是雷達影像上回波強度最大的區域，表明內部存在著大量的粗粒礫石，可能是撞擊產生的濺射物沈積後，又發生了二次撞擊等復雜的地質過程；第三層一直延伸到地下 40 米深，雷達回波明暗交替變化，表明其粒度呈現粗粒和細粒的互層，是更古老的撞擊濺射物的沈積和風化產物。深度超過 40 米時，雷達訊號微弱，已經無法推測其物質特性。
嫦娥四號的這一發現對於了解月球上火山活動與隕石撞擊的歷史，以及月球的地質演化過程具有重要的意義。結合月球的區域地質歷史，在著陸點附近區域，在深度超過 40 米的地方，分布著完整的月海玄武巖。這一發現為我們揭示月球數十億年的演化史提供了新的線索。
五、月球地質史重大事件
（一）阿波羅 11 號登月
1969 年 7 月 16 日，土星五號火箭在美國甘迺迪角發射升空，將阿波羅 11 號推向月球。四天後，太空人尼爾阿姆斯壯和巴茲奧爾德林的鷹號登月艙在月球寧靜海南部著陸。阿姆斯壯於 7 月 21 日左腳踏上了月球表面，成為第一個在月球行走的人類。
阿姆斯壯在月球上進行了 30 分鐘地質勘探，著陸後，他首先拍攝了著陸艙，匯報情況，然後收集了一把月球土壤，放入樣品袋子裏，其中包括了幾塊小石頭，並盡可能細致地對采集的樣本和附近月球表面的情況進行詳細的記錄。還發現了幾塊閃閃發光的石頭，這是隕石撞擊月球表面後再極熱環境下的產物。隨後阿姆斯壯去了一個離鷹號登月艙 120 米遠直徑超過 24 米的隕石坑，並拍攝了照片，采集了大量的樣本。這些都是登月計劃中原本沒有的工作安排。1972 年，地質學家哈里遜傑克施密特說，阿姆斯壯的半個小時是他探索月球的時間中最有成效的。臨走時總共收集了 21.55 公斤的月球樣本。
阿波羅 11 號任務之後人們知道了：月球是地球的一部份，它是由一顆火星大小的行星和地球相撞後，大量散布在太空中的物質逐漸形成了月球。
（二）嫦娥三號揭開月球復雜地質史
中國地質大學等單位透過嫦娥三號著陸器和月球車 「玉兔」 的數據，首次揭示了嫦娥三號著陸區的地質特征及其淺表層的地質結構。嫦娥三號正好著陸在一個直徑約 450 米的年輕的撞擊坑邊緣。「玉兔」 車在這個撞擊坑附近行走了約 114 米，並進行了兩個月晝（相當於約 28 個地球日）的照相和雷達探測，最終獲得了沿途一系列高分辨率影像和雷達探測數據。
「玉兔」 車在行進途中，見到許多大石塊，其中距離最近的被取名為 「龍巖」，長約 4 米，高約 1.5 米，表面顯示粗粒結構。這種非常特殊的結構，明顯不同於以往美國獲得的玄武巖樣品，倒類似地球上的輝綠巖或輝長巖，說明在巖石形成時，巖漿的冷卻速度很慢。
測月雷達對次表層深達近 400 米的地下結構進行了探測，共辨識出 7 個主要地質界面。這些層狀地質體，主要是由不同期次玄武巖及火山碎屑巖充填形成的。而在火山事件間隔期，也有月壤等物質存在其中。這說明火山活動樣式的多樣性，但更重要的是 「揭示了月球內部有大量的揮發成分」。
這些研究成果顯示，嫦娥三號著陸區經歷的火山事件、撞擊改造及空間風化事件異常復雜，需要重新思考月球的火山地質與熱演化過程。這對探索月球巖漿演化歷史和後期改造作用具有非常重要的意義。
（三）月球被撞史研究
「玉兔二號」 月球車透過雷達 「透視」 發現月球背面南極的馮卡門撞擊坑存在疊羅漢的歷史，揭示了月球的被撞史。2019 年 1 月，「玉兔二號」 登陸在月背南極的艾特肯盆地。這是月球上最大、最古老的盆地，遍布被小行星撞擊的痕跡。嫦娥四號的主要科學目標之一，就是探索艾特肯盆地的表面和地下結構。
一次次的小行星撞擊，會導致一次次濺射。這些濺射物可以當做刑偵劇裏的血液噴濺一樣分析，數量和形態與撞擊事件的規模和距離相關。一些劇烈撞擊還會引起火山噴發，形成玄武巖噴溢。日積月累，濺射物和玄武巖交錯疊羅漢，正好保存了每次 「撞擊事故」 的物證和痕跡。從垂直方向上解剖，就能一層層回溯月球是怎麽被一次次撞擊塑造成如今的風貌。
「玉兔二號」 攜帶了更為先進的測月雷達。雷達由 2 個頻率通道組成，其中高頻通道探測深度約 50 米，用於探測月壤及其地下濺射物的高分辨結構，低頻通道探測深度可達約 500 米，用於探測可能存在的厚層狀濺射角礫巖層和玄武巖層等結構。
「玉兔二號」 在前 3 個月晝的工作時間裏積累了探測數據，被科學家們還原為清晰的淺層結構剖面，厚度達到數百米。「玉兔二號」 著陸區的淺層結構由上往下分為三層。第一層厚約 130 米，包括 12 米的月壤和 120 米的 「玉兔二號」，來自附近多個撞擊坑。最頂層 30 多米的濺射物主要是來自芬森撞擊坑。第二層厚約 110 米，為多次噴發的玄武巖層；第三層厚度在 200 米以上，則為著陸區北部的萊布尼茲撞擊坑的濺射物。
這些發現不僅揭示了艾特肯盆地小行星撞擊和火山噴發的復雜歷史，也對未來采樣返回任務的登陸地點選擇具有指導意義。
