在清澈的夜空里，人们能够看到地球的唯一天然卫星——月亮，像一只银盘悬挂在天穹上。像太阳一样，它也由东方升起，向西方沉落。对于月亮的科学研究可以分为三个时期。最早的是天文研究时期，解释月球的物理常数和运动。第二是摄影地质学时期。根据由望远镜拍摄的照片和漫游号（Ranger）、探测号（Surveyor）和月亮轨道空间飞船发回的信息研究月球。第三是阿波罗与月亮号（Luna）的登月飞行带回了月岩和月尘的样品和新的月球照片。

　　地球、月亮和太阳（及其他行星）都位于叫作黄道的平面上。地球365.26天（一年）绕太阳公转一周，相对于固定的恒星，地球每23小时56.07分钟（一个恒星日）绕自转轴一周，相对于太阳则是24小时。相对于地球来说，月亮绕地球公转和绕月轴自转都是27天7小时43分，而相对于固定的恒星则是29天12小时44分钟。月球的自转周期和公转周期的耦合导致月球的一侧始终面向地球。因此，月球的地理被分为近侧与远侧。地—月平均距离为384400公里。

　　月亮的照片揭示出有两种基本类型地块：一种是暗色的，另一种是亮的。暗色区（称作“月海”，由拉丁文Mare而来，即海的意思）比山峦起伏的亮区（称为“高地”或“台地”，来自拉丁文，是陆地的意思）较平坦些。月球分为月海和高地的地貌分类与地球分为大洋和大陆相似。相对于高地和大陆来说，月球的月海和地球的大洋都是低的区域。相对高地和大陆来说，月海和大洋的地貌与地质特点也都是相对比较年轻的。月海表面上的环形形态是冲击坑。在高地上也出现环形坑，而且更多些；事实上，高地上的山丘乃是由于大小不同的环状坑叠覆造成的。因此，研究地球环形坑得到的环状坑的形成知识，对于理解月球地质是重要的。

　　地球上有三种类型的环形坑：火山的、陨石冲击的和沉降的。所有这三类无疑在月亮上都存在。什么样的过程与多数月球环状坑的形成有关，这个问题曾通过将月球环形坑的形态与其附近的岩石同地球三种类型的环形坑的形态与岩石作比较予以解决。实际上，月球上所有的环形坑都是陨石冲击引起的。

　　月球环形坑的特征是形态随环形大小而变化。直径小于1毫米的小坑[叫作刺坑（Zappit）]已在阿波罗计划由月球带回的岩石中找到。这些小坑由一个中心小坑组成，中心小坑是玻璃线，周围为碎裂（裂片）带，这个带大约是小坑直径的两倍。这些微小环形坑在地球上找不到对应物。虽然人们发射出的抛射物速度达到每秒7公里，但是还不能发射小的抛射物使其速度足够产生玻璃线刺坑，因此，产生月球刺坑的冲击粒子必然具有每秒数十公里的速度。

　　直径几厘米到15至20公里的月球环形坑呈碗状，具有低于周围地面的底。环形冲击坑的外环高于周围地面，由细粒物质和大的岩块组成。由环向外到环形坑直径几倍远的地方是一系列切线状的脊，然后是放射状的脊。脊下是以前充填坑的物质；它们是在坑形成时贯入的，叫作连续贯入平伏体。平伏体中的物质是来自冲击过程中生成的充满玻璃碎屑的云雾（地球上的冲击坑和爆发性火山具有类似的特点）。小的次级环形坑的环延伸到主坑以外更远的地方。轻灰尘和岩块的窄线性沉积体在各个方向上向远方伸展。这些特点使得环形坑看上去像旭日放射光芒，称之为线列。

　　中等大小的月球环形坑直径20到100公里，呈现出与较小坑相似的坑外特征，但坑本身有很大不同。它们不是碗状的，而是有一个平坦的底。壁上滑塌和阶地是常见的，有一个中央峰——即在环形坑底的中心有一群小山丘。像中等环形坑一样，月球上直径大于100公里的大型环形坑也具有坑外沉积、平坦的底，滑塌与阶地状的坑壁和中央峰。但是盆地有许多环，而且不是单一的坑壁，而是环绕盆地有几个山带。

　　显然，月球的多数环形坑和地球上的火山口并不相似，与沉陷成因的落水洞和破火口也不相象，而是与地球上的冲击坑相似，例如亚利桑纳州的陨石坑、澳大利亚的戈塞斯峭壁以及德国的里斯坑。

　　月球地层学（即层状岩石的研究）不像地球的地层学，因为月球上缺少像我们在地球上对比岩石用的那样的含化石的沉积岩。月球地层学的依据是由坑溅射出的物质的摄像、坑的年龄的解释以及特定的表面的环形坑的丰度。地球上的地层叠置原理还适用，即上覆的溅射物及其伴生的环形坑比下伏的物质和坑要更年轻。坑的年龄依据坑的陡度和溅射构造判断。坑的丰度也是相对年龄的标志之一，坑越多表面就越老。坑的丰度范围由只有几个坑的月海到被坑饱和的高地。一块被环形坑饱和的月球表面，环形坑非常之多，任何新的坑都不能以同样的大小破坏老的一个。

　　对于月球年表已经搜集了许多资料。最老的岩石是前雨海系，也即是说老于雨海盆地的岩系。这些岩石形成了光照率高、坑多的高地，这里是一片被直径5O公里的环形坑所饱和的区域。月球近侧的大约75％的地区下伏着前雨海物质。坑是很低缓的而且没有放射状构造，也没有次级坑和溅射沉积物；环是低而圆的，并被后来的坑切割；底是浅的。多数前雨海坑是那么低缓又为年轻的坑叠覆，以致它们具有模糊不清的坑。

　　随着多环圆形盆地的形成，前雨海时代便告结束。远东海是最后一个多环盆地，它恰恰形成于雨海之后。根据对阿波罗计划带回来的雨海冲击事件形成的岩石所做的放射性年龄测定，这一事件是距今39到40亿年前发生的。月球上很大面积被这一事件的溅射物所覆盖；阿波罗14号飞行器采集的弗腊莫洛建造样品便是由这种溅射物组成的。

　　具有雨海年龄的沉积物有两种广泛分布的类型。较老的一种是形成平原的物质，例如阿波罗16号采集的凯利组样品。平原物质有中等的反照率和中等的环形坑密度，但比起前雨海的高地则较暗，坑也较少，不过比充填月海的玄武岩则环形坑较多。

　　“平原”单位大都是经过改造的喷溅物质的水平沉积层。它们充填了高地的环形坑，并沿某些多环盆地的内边缘出现。组成月球近地侧10％的“平原”物质，趋向在多环盆地附近出现。根据平原单位岩石的放射性年龄测定，早期雨海时期的范围从38.5亿到40.5亿年前。

　　雨海系后期沉积的低照率少坑的月海充填物是一种层状玄武岩系，它构成了月球近地侧的15％。月海玄武岩充填了大多数近地侧多环坑，也倾泻到大的低伏地区，晚雨海期的放射性年龄在31.5亿到38.5亿年的范围内。

　　雨海期环形坑是低缓的，但清晰可见，这与前雨海环形坑不同。阿基米德坑和伽辛提坑都是典型的雨海坑。溅射沉积物和次生坑是低缓的；坑环是低的、破裂的和圆形的；坑底浅并充填了后期物质。还没有见到成列线状脊。埃腊托森期标志着成坑作用的速率大大减缓的开始和火山作用实际上停止下来。这个时期留下了部分低缓的环形坑具有伴生的溅射物和被解释作火山岩的少数特征。环形坑（例如埃腊托森坑和亚里士多德坑）表现出有发育良好但部分低缓的溅射沉积物和次生坑。没有见到线状脊。环状坑的环是破裂的，而底部未被后来的物质充填。埃腊托森期的结束时间和哥白尼时期开始的时间现在还不清楚。不过阿波罗12号由哥白尼线状脊取得的样品表明脊形成于10亿年前。哥白尼期的环形坑（例如哥白尼坑、带戈和开普勒坑）是新鲜的并具有十分确定的溅射物、次生坑和线状脊。坑环是明显的；底是深的而未被沉积物和玄武岩充填。月球高地具有高的反照率、为巨大的冲击坑所饱和。构成高地表面的岩石都经历了多次冲击事件。下述资料是依据阿波罗飞行器和月球号飞行器带回的高地样品综合出来的：

　　1.高地是古老的，可能在38亿和42亿年间。

　　2.高地的平均成分相当于地球上的亏损碱性元素的斜长岩质辉长岩的成分。

　　3.高地岩石中85％是角砾岩，其中许多受过冲击事件的冲击、磨蚀、

　　变质和/或熔融或部分熔融。

　　4.角砾岩的成分范围从辉长质斜长岩到富含微量元素和含低钙辉石的玄武岩。

　　5.高地岩石的14％是斜长岩。

　　6.高地岩石的1％是富镁的堆晶岩。

　　7.斜长岩和堆晶岩是粗粒的、微量元素含量低，并受到了冲击事件的冲击、磨蚀和退火。

　　多数高地岩石是角砾岩，也就是具有细粒基质和大的碎屑的岩石。（碎屑或多或少是圆形的矿物、玻璃和岩石碎屑）角砾岩的基质是由类似于碎屑的小碎片组成，有两个例外。其一，较小的颗粒含有较低百分比的矿物碎片和岩石碎片，而含高百分比的玻璃。其二，较小的颗粒更显棱角状。角砾岩由大约700℃的退火作用形成。加热到较高温度800℃到1000℃的角砾岩受到变质，而那些达到更高温度的角砾岩则被部分熔融。被冲击作用加热到1100℃的角砾岩就部分地或全部熔融。由阿波罗16号从凯利组带回的角砾岩是部分熔融的。当部分熔融体与残余物质分离开来时，就形成了一种富含微量元素的玄武岩。这种岩石的类型称为克里普（KREEP），这是钾（K）、稀土元素（REE）和磷（P）的词首缩写词。

　　非角砾岩的高地岩石是碎裂斜长岩，也就是受到反复的磨碎与退火的粗粒岩石（含有几厘米大的颗粒）。

　　从化学上看，月球高地揭示出从玄武岩到斜长岩的不同成分系列。在月球高地上已经找到若干高镁堆晶岩，它们并不属于上述诸系列，不过它们的数量不多。尽管如此，这些堆晶岩与高地主要成分系列的碎裂斜长岩和辉长岩一起说明深成过程在月球高地的演化中起着某种作用，虽然重要性不大。因为迄今只分析了月亮高地的50个不同的岩石样品，所以计算月球高地的平均成分还很困难。一种用于估计平均成分的技术是阿波罗15号和16号

　　飞行期间由月球轨道分析月球表面的镁、硅和铝的X萤光实验。实验结果表明月球高地具有高的铝—硅比值和低的镁—硅比值，并且表明这两个比值与斜长岩质辉长岩的比值大致相等。

　　计算月球高地平均成分的第二种方法是月壤中玻璃颗粒的统计分析。这种方法假定在月壤中找到的玻璃颗粒是由先前的月岩与月壤的完全熔融造成的。由阿波罗和月球号带回的某些月壤已用这种技术研究过，在每一个土壤样品中都已发现了所提出的斜长岩质辉长岩的成分。这些数据与轨道X射线萤光数据以及岩石分析一起，表明月球高地平均成分必然位于这一系列岩石分析的中部，接近斜长岩质辉长岩。这些资料也指出，月球高地起初具有接近斜长岩质辉长岩的成分，但其各区之间稍有不同。在陨石冲击过程中，原始地壳受到磨蚀、部分熔融、退火并再结合成为角砾岩以及现在找到的碎裂斜长岩。

　　月球高地岩石的放射性年龄测定得出的年龄值在42亿和38亿年之间。这意味着高地的强烈冲击基本上是在月球历史的头7亿年期间完成的。

　　月海由富铁玄武岩和成分类似的角砾岩构成。在所有近地侧多环圆形盆地及其相邻广大地区中都发现有月海物质。例如雨海是在环形盆地中，而酒洋海与其邻近但并不是在环状盆地中。类似的关系也维持于澄海与静海之间。月海玄武岩呈现出范围广泛的火山岩结构，从化学上看，则在每个着月点形成几个十分确定的岩石类，尽管它们与高地岩石有明显差别，但它们也比较富FeO和TiO2而较贫Al2O3对月海玄武岩进行的高温高压实验表明月海熔岩是从150到400公里之间的深度处的辉石岩石经部分熔融而形成。月海玄武岩在化学成分上可以分为许多组这一事实证明存在着近地表的结晶分离作用。阿波罗12号和某种程度上阿波罗15号玄武岩呈现出橄榄石堆积作用的证据，而阿波罗11号和阿波罗17号玄武岩则经历过橄榄石、尖晶石和钛铁矿的堆积作用。

　　反复的陨石冲击已经击碎和研磨了月球表面，造成了称为月壤的松散物质。在广大的月海区域中，月壤厚度为3到10米，而冲击强烈的地方月壤厚度可达25米。月壤下面的岩石还是破碎的，但没有磨细。可以清楚地注意到，小陨石与大陨石同样重要。虽然从单个来看，小陨石不如大陨石的冲击作用强，但这种较小陨石的冲击次数要多得多，因此小冲击的净效应是大的。直接由陨石冲击引起的现象有：

　　（1）月壤中的玻璃珠，

　　（2）岩石表面的玻璃质溅落物，

　　（3）月球表面磨圆的岩石，

　　（4）岩石表面的显微小坑（刺坑）。

　　月壤由磨碎的岩石、矿物和玻璃颗粒组成，它们都是棱角到次棱角状的。受到冲击扰动的物质，约有5％被熔融，并淬火形成玻璃。如果熔体在飞行中淬火，则形成玻璃珠。如果玻璃落在月壤时淬火，则形成凝集体（一种玻璃胶结的集合体）。凝集体的百分比用来量度月壤的成熟度。新磨碎的月壤没有凝集体，而成熟的月壤大约含50％的凝集体。反复的陨石冲击引起一种称作“成圆作用”的现象，也就是说一种月壤缓慢翻转的现象。一次冲击会造成体积相当于冲击体1000倍的冲积坑。被撞击而飞溅出来的物质呈薄层沉积在面积为冲击坑四倍的区域上。反复的冲积使月壤翻转，每次冲击产生一个不同的层。在阿波罗飞行过程中取得的岩心中已经观察到这些层的顺序；例如，一条阿波罗15号岩心有9.5米长，有50个以上的层代表月球最近6亿年的历史。通过几条途径对月球内部有所了解。天文学观察得出月亮的平均密度为每立方厘米3.34克。如果我们把这些数据和月海玄武岩的密度（3.3克/厘米3）及高地岩石密度（3.1克/厘米3）结合起来看，月球内部就似乎不会存在几个不同密度、不同成分的层圈。至多有一个占月球质量5％或半径20％的金属核。

　　月球内部最上部的25公里被认为是破裂的月海玄武岩。25到65公里的区域被认为是斜长岩壳，65公里以下的区域被认为是辉石岩质物质（它们可能是月海玄武岩的来源）。最近的地震资料指出：月球可能有一个液体的或者部分液体的核，其半径为月球半径的20％。

　　月震很少，而且震级低，在里氏分级中低于2级。它们发生在800到1000公里的深度，也就是说比地球的任何地震都更深，这表明月球有一个厚的刚性月壳。月震发生的时间与月球潮汐相关，这说明，与地球不同，月球并没有一个活动的全球构造体系。

　　通过仔细地追踪，月球轨道上的空间飞船计算了月球全球重力分布。月球重力场的一个最明显的特点是在直径大于200公里的所有环形盆地上有大约为每平方厘米800千克的超额质量集中。这种质量集中由盆地之下接近月表的碟形体得出最好的解释。由于月海岩石的年龄老于30亿年，月球就必然在数十亿年来维持高于均衡平衡的质量集中这种不均衡情况，这表明月壳必然具有巨大的强度或者很高的粘度。

　　月球重力观测表明，月球的质量中心比其物理中心离地球近2公里。造成这种现象的原因据认为是月壳厚度的变化。

　　月球地质

　　1.月球时间尺度表示总的岩层单位和典型的环形坑形态。只能确定出两个时间。

　　2.这些从轨道空间飞船上拍摄的月球环形坑照片表明环形坑形状的变化和它的大小关系。

　　3.阿里斯塔克斯环形坑是一个中等规模的环形坑，直径约为40公里。照片表明环形坑底部平坦、中心高起、内壁为滑坡阶地，以及有喷射物的沉积。

　　在阿波罗15号和17号着月地点已经进行了月表热流测定。两次测定都是大约30尔格/厘米2/秒，差不多是地球平均热流的一半。产生这些热流所需要的放射性元素（钾、铀和钍）的分布还不清楚，但是，已经表明，虽然近30亿年几乎没有表面火山作用，但现在月球内部尚有某些热。由月球轨道卫星所做的磁力测量，表明在几百公里的距离上月球便没有行星那样宽的磁场。然而，月球表面的磁力仪检测到高达数百伽玛的磁场，而所有飞行器取回的月球样品都具有天然剩磁（NRM）。局部的磁场是由岩石的天然剩磁造成的，但是，如果没有月球磁场，那么岩石的天然剩磁是怎样得到的呢？显然回答是这样的：当岩石形成时，必然有一个100到1000伽玛的月亮磁场（地球磁场大约是5000伽玛）。也许月核在数十亿年前起一个电动机的作用。月球起源的现代假说有：（1）月亮由于地球的分裂形成；（2）它在太阳系中另外的地方形成，然后被地球俘获；（3）作为与地球一起的双行星形成；和（4）由地球轨道上微星环聚集而成。月球从地球上分裂出去的理论最早由乔治·达尔文（查理·达尔文的儿子）在1878年提出。然而，带回的月球样品虽然在化学上类似于地球岩石，但它们在细节上有那么大的差别，以致使得分裂起源失去了人们对它的倾心。另外，如果月亮是由分裂形成的，那么它的轨道就得位于或者接近地球的赤道平面，而月亮的轨道变化在与此平面成18度和28度的角度之间。

　　俘获说受到欢迎，部分原因是从化学角度上看不存在问题。但是它有个天体力学问题。它要求月亮距地球的距离永远不近于2.89个地球半径（罗奇极限），不然月亮就会碎裂，它还要求俘获必须发生在35亿年前。许多细节模式已经提出，包括以逆行轨道俘获月球的模式在内。俘获说的主要问题是：俘获的几率是很低的。

　　双星假说也遭遇到分裂说的同样问题：月球与地球之间的化学差别和月球轨道相对于地球赤道面的倾斜。另外，月球上的所有挥发元素都低于地球。这是双星说很难解释的。

　　月球由地球轨道的微星聚集而形成（类似于土星的环而质量更大）有和裂变说及双星说同样的化学问题。然而，为了解释化学的不一致，已经提出了复杂的图式。

　　简而言之，阐明月球的演化要比确定它的起源更容易些。