一、月球地质概述
月球是一个无大气、无水、无生命、冷热剧变的天体。其表面可分为高地、月海撞击坑和火山地形等。月球的地质历史复杂，对其研究有助于了解太阳系的早期环境。
月球的月陆和月海是其最显著的特征，覆盖了月面约 4/5 的面积。已知的月海有 22 个，绝大多数分布在月球的向阳面，最大的月海是风暴洋，面积约 500 万平方公里。月陆地区一般高出月海水准面约 2～3 公里，上面分布有连续的、险峻的山脉或山系，月球上最大的山脉是亚平宁山脉，长达 1000 公里，高出月面 3000～4000 米。
关于月海和月坑的成因，大多数学者都主张陨石（或小行星和彗星）撞击说。据计算，雨海可能是由一个直径为 20 公里的小行星体以 2.5 公里 / 秒的速度轰击月表形成的。「阿波罗」 14 号的登月舱正好在雨海盆地的冲击溅射堆积物上着陆，采集的岩石样品几乎全部由复杂的角砾岩组成并显示明显的冲击和热效应特征，有力地支持了陨石撞击成因说。
从月球表面采回的样品大致可分为结晶质火成岩、角砾岩、月壤和玻璃颗粒三类。岩石类型有月海玄武岩、非月海玄武岩和富克里普岩。在月岩中已发现 3 种地球上没有的新矿物。月壤由不同比例的结晶质岩石、角砾岩碎片、矿物颗粒及玻璃组成。
月球的地质作用主要包括火山及撞击成坑作用，以及太阳风和宇宙线对月表物质的侵蚀作用。月表物质的暴露年龄测定结果表明，月壤的平均暴露年龄约为 4.00×108 年，月岩的暴露年龄范围为 1×106～7.00×108 年。在最近 3×109 年以来，很少或没有火山作用。
月球没有磁场，局部月岩的剩余磁场强度约为 6～300 纳特，表明月球内部可能无金属核，月球中心的温度不超过 1500℃。月震每年释放的能量约为地震释放能量的百万分之一，其震源的深度为 800～1000 公里。月球是一个分异天体，内部构造大致可划分为月壳、月幔和月核。
二、重大发现与研究进展
（一）嫦娥五号月壤研究
2021 年，我国科研团队利用嫦娥五号月壤样品，在国际学术期刊【自然】发表研究成果，确认约 20 亿年前月球还 「活着」，将月球地质生命 「延长」 了 10 亿年。9 月 6 日，【自然】再次刊发我国科研团队对嫦娥五号月壤研究的最新成果，月球地质生命再一次 「延长」：在 1.2 亿年前，月球仍存在火山活动。科研团队从约 3 克嫦娥五号月壤中挑选出约 3000 颗玻璃珠，经过层层筛选和精准定年，确定了 3 颗形成于大约 1.2 亿年前的火山玻璃珠，这表明当时月球上还存在火山活动。这些发现对以往的月球热演化模式提出了更大的挑战，也为进一步探索月球的演化历史提供了新的线索。
（二）嫦娥六号着陆区研究
今年，嫦娥六号探测器从月球背面带回 1935.3 克月壤，实现世界首次月背采样返回。科研人员对嫦娥六号着陆区阿波罗盆地的深部结构与地质演化历史进行研究。利用高分辨率光谱数据，识别了代表原始月壳成分的亚铁斜长岩。综合利用多种数据，重新进行地质填图，并绘制了区域地质剖面图。研究揭示了阿波罗盆地区域深部结构及其演化过程，为理解该区域地质演化历史以及嫦娥六号月壤样品分析提供了重要支撑。
（三）月面潜在可进入洞道发现
【自然 - 天文学】最新发表的论文称，研究人员发现月球上源自一露天坑的潜在可进入地下洞道的证据。通过分析来自月球勘测轨道飞行器的静海坑雷达数据，发现坑底西侧可能存在洞穴或管道，位于 130 - 170 米深处，长 30 - 80 米，宽约 45 米。这个洞穴可能是平坦的或呈最大 45 度角倾斜，而且可能可以进入。该发现或可成为月球基地的理想选址，为未来月球表面载人任务中充当庇护所提供了潜在可能。
（四）月岩形成新线索揭示
研究揭示月岩形成的新线索，月球的地质历史可以追溯到约 45 亿年前，比地球还要早。科学家们利用阿波罗任务中的岩石样本，对月球内部的岩石进行分析，以了解月球内部的地质历史和月岩形成的过程。在研究中，科学家们发现月球巨石的成分和地球上的岩石极为相似，进一步证明了月球和地球之间的密切关系。同时，研究还发现月球巨石似乎被其他物质覆盖了很厚的一层，表明在月球的历史上，可能曾经存在过大规模的火山喷发或撞击事件。
（五）嫦娥三号地质研究成果
中国地质大学等单位对嫦娥三号着陆器和月球车 「玉兔」 的数据进行初步分析，发现月球地质史比此前认为的更为复杂。嫦娥三号通过分析低频雷达浅层数据，推测出月球雨海北部年轻的爱拉托逊纪熔岩流具有多期性，并对一些构造演化提供了新的约束。嫦娥三号还完成了首幅月球地质剖面图，展现了月球表面以下 330 米深度的地质结构特征和演化过程，并发现了一种全新的岩石 —— 月球玄武岩。此外，嫦娥三号在月球地形地貌、浅表层地质结构、月基天文观测以及地球等离子体观测等方面取得一系列创新成果，共发表学术论文近百篇。
三、月球地质特征
（一）月貌特征
月海 ：月球上肉眼所见暗黑的区域称为月海，是广阔的低平原，没有水。现在认为是古代玄武岩熔岩的巨大凝固池，与地球上的玄武岩相似但具有更多的铁且无矿物质被水侵蚀过。已知的月海有 22 个，绝大部分分布在月球正面，最大的月海是风暴洋，面积约 500 万平方公里。
高地 ：观察所见月表明亮部分称为月陆，反照率较高所以看起来明亮。月陆是月面上的高地，为大面积的熔融结晶的岩石覆盖，是月球最古老的岩石，年龄约 41 - 46 亿年。
撞击坑 ：是月面上最显著的特征，直径大于 1km 的环形山总数约 33000 多个。绝大多数环形山为陨星撞击而成，少数是火山造成。大且复杂的环形山坑壁呈台阶状，中央有突起；年轻的环形山周围还保留有清晰的辐射状的溅射物，称 「辐射纹」。例如第谷环形山，其直径 86km，有辐射纹 12 条，最长达 3000km。
峭壁和山脉 ：月面上有一些类似地球上的山脉，且借用地球上山脉名字来命名，如阿尔卑斯山脉、高加索山脉等。其中最长的亚平宁山脉，长 1000km。在月球南极附近的山峰高达 8000 - 9000m。
裂谷和裂缝 ：月球表面存在一些裂谷和裂缝，它们可能是由于月球内部的地质活动或外部的撞击等原因形成的。这些裂谷和裂缝记录了月球漫长历史中的地质变化。
月壤 ：月面覆盖着一层由不同比例的结晶质岩石、角砾岩碎片、矿物颗粒及玻璃组成的月壤，直径小于 1 毫米的颗粒。旧表面的风化层通常比较年轻的表面厚，在高原地区为 10 - 20 公里，在月海为 3 - 5 公里。
（二）月表组成
从月球表面采回的样品大致可分为结晶质火成岩、角砾岩、月壤和玻璃颗粒三类。岩石类型有月海玄武岩、非月海玄武岩和富克里普岩。在月岩中已发现 3 种地球上没有的新矿物：静海石、铁三斜辉石和低铁假板钛矿。与地球玄武岩相比，月海玄武岩的 K₂O、Na₂O 和 Al₂O₃含量较低，FeO 和 Cr₂O₃含量较高。月岩不含水，无三价铁，但含金属铁和陨硫铁 (FeS)。斜长岩是月球上的古老岩石，主要由富钙的斜长石组成，含 Al₂O₃约 35%。
（三）地质作用
火山及撞击成坑作用，对月表的形貌和月表物质的分布特征起重要作用。陨石体撞击月表时形成撞击坑，并引起基岩破坏、月壤和角砾岩的形成以及月表物质的再分配。月表物质的暴露年龄测定结果表明，月壤的平均暴露年龄约为 4.00×10⁸年，个别的可达 1.700×10⁹年；月岩的暴露年龄范围为 1×10⁶～7.00×10⁸年，绝大部分集中在 2.0×10⁷～2.00×10⁸年之间。在最近 3×10⁹年以来，很少或没有火山作用。太阳风和宇宙线对月表物质起侵蚀作用。
（四）内部构造
月球没有磁场，局部月岩的剩余磁场强度约为 6～300 纳特，表明月球内部可能无金属核，月球中心的温度不超过 1500℃。月震每年释放的能量约为地震释放能量的百万分之一，其震源的深度为 800～1000 公里。月球是一个分异天体，内部构造大致可划分为月壳、月幔和月核。月壳平均厚度约为 65 千米，在面向地球的月球正面，月壳的厚度平均约为 50 千米，而在背向地球的月球背面，月壳厚度平均约为 74 千米。月壳由斜长岩组成的高地月壳和由玄武岩组成的月海月壳两大基本单元构成。
（五）地质历史
月球大约在 46 亿年前形成，与太阳系的年龄相一致，月球形成不久分异形成月壳、月幔和月核。大部分月壳可能是在较短的时间（约 1 亿年）由月球外层 100～300 公里的物质熔融形成。形成全月球性的熔融层或岩浆洋大约需要 10⁸～2×10⁸年。形成月壳之后月表遭受到频繁的陨石体的强烈撞击，大约在 38～43 亿年以前，由于小行星或星子的撞击形成月海盆地，之后在 31～39 亿年以前，由于月球内部深度为 150～450 公里间物质的部分熔融导致月海玄武岩的喷发并充填月海盆地，约在 30 亿年以前全月球性的火山作用基本停止，但有些地区的火山作用一直延续到 25 亿年以前。
四、月球地质演化过程
（一）大碰撞假说与岩浆洋形成
大碰撞假说被广泛接受，认为大约在 45 亿年前，一颗火星大小的天体撞击地球，抛射出的高能量物质留在绕地轨道上，最后吸积形成月球。这次碰撞产生的巨大能量使月球形成一个相当深的全球性的岩浆洋。根据研究，这个岩浆洋可能深达数百公里。在这个过程中，月球的初始物质组成发生了很大变化，包括高温的硅酸盐熔体和气体可能发生强烈的蒸发作用，造成水和挥发性组分的大量丢失，相当一部分物质来自原始地球，以及大部分金属加入地球等。
（二）岩石和矿物的形成
岩浆洋的结晶分异和固化是月球岩石和矿物形成的关键过程。最早结晶的是橄榄石和辉石，因重力作用而堆积在月幔的下部，由纯橄岩和方辉橄榄岩组成。当岩浆洋结晶程度到 80% 左右的时候，斜长石开始结晶，由于其密度小，在岩浆分异过程中长石上浮，在月球表面形成一个 40 - 45km 厚的斜长岩月壳。当岩浆洋结晶程度到约 95% 的时候，钛铁矿开始晶出。随着岩浆洋的不断固化，月壳与月幔发生持续分异，残留岩浆中的不相容元素含量逐渐升高，最终在月幔与月壳之间形成富集钾（K）、稀土元素（REE）、磷（P）的克里普岩（KREEP）。由于钛铁矿的密度大于硅酸盐矿物，因此在岩浆洋分异晚期，在月幔上部形成的堆晶层具有重力不稳定性，通过物质对流翻转沉到月幔下部，与先前堆积的硅酸盐发生混合，从而形成不均一的月幔。
（三）嫦娥四号揭示月背地下浅层结构
2019 年 1 月，中国发射的嫦娥四号探测器成功在月球背面的冯卡门坑着陆，成为首个在月球背面软着陆的探测器。着陆数小时后，「玉兔二号」 月球车从嫦娥四号释放。利用玉兔二号月球车搭载的测月雷达，中国科学家首次揭露了月球背面着陆区域地下 40 米深度内的地层结构。
根据目前传回的物性参数和雷达图像，沿着玉兔二号月球车行走的 106 米的路径，其下方 40 米的地层呈现出清晰的三层：最表层为地下 0 - 12 米，主要由细粒月壤组成，其中嵌有少量碎石；第二层为地下 12 - 24 米，这一层是雷达图像上回波强度最大的区域，表明内部存在着大量的粗粒砾石，可能是撞击产生的溅射物沉积后，又发生了二次撞击等复杂的地质过程；第三层一直延伸到地下 40 米深，雷达回波明暗交替变化，表明其粒度呈现粗粒和细粒的互层，是更古老的撞击溅射物的沉积和风化产物。深度超过 40 米时，雷达信号微弱，已经无法推测其物质特性。
嫦娥四号的这一发现对于了解月球上火山活动与陨石撞击的历史，以及月球的地质演化过程具有重要的意义。结合月球的区域地质历史，在着陆点附近区域，在深度超过 40 米的地方，分布着完整的月海玄武岩。这一发现为我们揭示月球数十亿年的演化史提供了新的线索。
五、月球地质史重大事件
（一）阿波罗 11 号登月
1969 年 7 月 16 日，土星五号火箭在美国肯尼迪角发射升空，将阿波罗 11 号推向月球。四天后，宇航员尼尔阿姆斯特朗和巴兹奥尔德林的鹰号登月舱在月球宁静海南部着陆。阿姆斯特朗于 7 月 21 日左脚踏上了月球表面，成为第一个在月球行走的人类。
阿姆斯特朗在月球上进行了 30 分钟地质勘探，着陆后，他首先拍摄了着陆舱，汇报情况，然后收集了一把月球土壤，放入样品袋子里，其中包括了几块小石头，并尽可能细致地对采集的样本和附近月球表面的情况进行详细的记录。还发现了几块闪闪发光的石头，这是陨石撞击月球表面后再极热环境下的产物。随后阿姆斯特朗去了一个离鹰号登月舱 120 米远直径超过 24 米的陨石坑，并拍摄了照片，采集了大量的样本。这些都是登月计划中原本没有的工作安排。1972 年，地质学家哈里森杰克施密特说，阿姆斯特朗的半个小时是他探索月球的时间中最有成效的。临走时总共收集了 21.55 公斤的月球样本。
阿波罗 11 号任务之后人们知道了：月球是地球的一部分，它是由一颗火星大小的行星和地球相撞后，大量散布在太空中的物质逐渐形成了月球。
（二）嫦娥三号揭开月球复杂地质史
中国地质大学等单位通过嫦娥三号着陆器和月球车 「玉兔」 的数据，首次揭示了嫦娥三号着陆区的地质特征及其浅表层的地质结构。嫦娥三号正好着陆在一个直径约 450 米的年轻的撞击坑边缘。「玉兔」 车在这个撞击坑附近行走了约 114 米，并进行了两个月昼（相当于约 28 个地球日）的照相和雷达探测，最终获得了沿途一系列高分辨率影像和雷达探测数据。
「玉兔」 车在行进途中，见到许多大石块，其中距离最近的被取名为 「龙岩」，长约 4 米，高约 1.5 米，表面显示粗粒结构。这种非常特殊的结构，明显不同于以往美国获得的玄武岩样品，倒类似地球上的辉绿岩或辉长岩，说明在岩石形成时，岩浆的冷却速度很慢。
测月雷达对次表层深达近 400 米的地下结构进行了探测，共识别出 7 个主要地质界面。这些层状地质体，主要是由不同期次玄武岩及火山碎屑岩充填形成的。而在火山事件间隔期，也有月壤等物质存在其中。这说明火山活动样式的多样性，但更重要的是 「揭示了月球内部有大量的挥发成分」。
这些研究成果显示，嫦娥三号着陆区经历的火山事件、撞击改造及空间风化事件异常复杂，需要重新思考月球的火山地质与热演化过程。这对探索月球岩浆演化历史和后期改造作用具有非常重要的意义。
（三）月球被撞史研究
「玉兔二号」 月球车通过雷达 「透视」 发现月球背面南极的冯卡门撞击坑存在叠罗汉的历史，揭示了月球的被撞史。2019 年 1 月，「玉兔二号」 登陆在月背南极的艾特肯盆地。这是月球上最大、最古老的盆地，遍布被小行星撞击的痕迹。嫦娥四号的主要科学目标之一，就是探索艾特肯盆地的表面和地下结构。
一次次的小行星撞击，会导致一次次溅射。这些溅射物可以当做刑侦剧里的血液喷溅一样分析，数量和形态与撞击事件的规模和距离相关。一些剧烈撞击还会引起火山喷发，形成玄武岩喷溢。日积月累，溅射物和玄武岩交错叠罗汉，正好保存了每次 「撞击事故」 的物证和痕迹。从垂直方向上解剖，就能一层层回溯月球是怎么被一次次撞击塑造成如今的风貌。
「玉兔二号」 携带了更为先进的测月雷达。雷达由 2 个频率通道组成，其中高频通道探测深度约 50 米，用于探测月壤及其地下溅射物的高分辨结构，低频通道探测深度可达约 500 米，用于探测可能存在的厚层状溅射角砾岩层和玄武岩层等结构。
「玉兔二号」 在前 3 个月昼的工作时间里积累了探测数据，被科学家们还原为清晰的浅层结构剖面，厚度达到数百米。「玉兔二号」 着陆区的浅层结构由上往下分为三层。第一层厚约 130 米，包括 12 米的月壤和 120 米的 「玉兔二号」，来自附近多个撞击坑。最顶层 30 多米的溅射物主要是来自芬森撞击坑。第二层厚约 110 米，为多次喷发的玄武岩层；第三层厚度在 200 米以上，则为着陆区北部的莱布尼兹撞击坑的溅射物。
这些发现不仅揭示了艾特肯盆地小行星撞击和火山喷发的复杂历史，也对未来采样返回任务的登陆地点选择具有指导意义。
