月球距地球38万公里，是距离地球最近的星体。它自45亿年前就陪伴着地球，和地球潮汐锁定，因此分为了近地面和远地面。阿波罗样品和嫦娥样品数据显示月球岩石的化学成分与地球十分相似，可以认为地球和月球有一定的共源。遥感观测帮助我们清晰的辨认月球表面。月球的表面几乎没有大气，只有从风化层飘起的尘埃。月球的地表地形呈正面低地、背面高地的不对称结构，在近地面是广泛分布的月海玄武岩而在背面则，是大量非常古老的斜长岩。从更微观的矿物和元素来看，月球近地面富集月海玄武岩区域同时也有部分富含钾（K）、稀土元素（REE，包括U和Th）和磷（P），这在月球研究中一般简称为放射性KREEP（图1b）。因此近地面富集月海玄武岩的部分一般被称作Procellarum KREEP Terrane (PKT)。此外月海玄武岩里富含钛铁矿（FeTiO₃），是上好的工程用材料（图1a）。随之而来的科学问题是为什么放射性元素和工程用矿物钛铁矿都富集在月球近地面的北面？钛铁矿矿藏有什么分布规律？

图1. 月球观测到的钛铁矿（a）和钍元素（b）的分布。模型预测的钛铁矿（c）和钍元素（d）的分布。白线轮廓代表了South Pole Aitken盆地的重力异常边界。图源于Zhang et al., 2022.

地空学院张南副教授领导的地球与行星动力学课题组一直研究类地行星和冰卫星的结构和起源，之前的样品和观测来源于NASA，近几年嫦娥任务为月球研究提供了新的数据和约束。从NASA和嫦娥任务的数据库里，课题组陆续地注意到月球上大的陨石坑发生的时间都集中在月球放射性元素和钛铁矿在近地面集中之前。这就涉及到月球表面的另一重要地质现象：月球上遍布的陨石撞击坑。人类迄今在月球表面识别出了上万个陨石撞击坑。其中最具特色的是位于南极的South Pole Aitken撞击盆地，这是月球表面最大的撞击伤痕。它在42亿年以前形成，正在放射性元素和钛铁矿形成之前。它是一个斜撞击，精确的撞击中心在南极偏向远地面，从空间分布来看，正在放射性元素和钛铁矿聚集区的极对称位置。

图2. 月球表面陨石撞击盆面积地大于300km的盆地的分布。图修改自Fassett et al., 2012.

张南指导研究生李华成、李昊远尝试模拟了这个斜撞击过程以及联动的钛铁矿驱动的重力失稳过程。非常好地重复出了观察到的放射性元素和钛铁矿在近地面北面的聚集（图1c和d）。最近这个结果“Lunar compositional asymmetry explained by mantle overturn following the South Pole–Aitken impact”发表在Nature Geoscience上。这个研究揭示了行星内部密度结构和外部陨石撞击在塑造行星浅表层形态和矿藏分布方面的决定性控制作用，是人类理解类地行星结构和演化的进步。

张南课题组一直在研究月球、类地行星、和冰卫星精细结构的控制机制和矿藏分布规律。课题组部分同学在模拟木卫二（Europa）冰水相变面的时空演化，为寻找木卫二可能的大分子生命提供破裂地点，同时也开始了火星壳幔边界形态的研究。因为地球、太阳系类地行星、和冰卫星的结构演化机制与动力学过程是了解太阳系行星演化和人类起源环境的重要窗口，也是利用行星资源必须的预研步骤。新一轮行星探测高潮已经到来，人类已经对行星矿产和殖拓类地行星提出了明确需求。月球作为殖拓类地行星的中转站，所有的可开采矿藏和基地建设方法必须加快研究。因此对类地行星热化学结构的研究不仅有理论意义，更有资源工程上的意义。