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A causa di collisioni avvenute nel corso di tempi geologici, la crosta lunare era inizialmente un ribollente oceano di silicati fusi e, dopo il raffreddamento della sfera fluida, si formò un guscio che solidificava dall'esterno verso l'interno, con la seguente formazione di cristalli ricchi di calcio e di alluminio che costituiscono oggi il materiale degli altipiani.

Il calore presente negli strati inferiori è stato la causa della fusione locale in alcuni punti del materiale appena solidificato, che produsse sotto la crosta sacche di fluido che diedero luogo a successive eruzioni vulcaniche.

In seguito si concentrò materiale ferroso fuso verso il nucleo della Luna, che si presume abbia attualmente dimensioni pari a circa 1/5 del raggio totale.

Le ridotte dimensioni del satellite ed il basso valore di densità media (0.6 della densità media della Terra) sono le cause della mancanza dell'atmosfera e dell'acqua sulla sua superficie. Si presume che la Luna avesse un'atmosfera composta da una certa quantità di elementi volatili (idrogeno, elio, argon), acqua, e derivati del carbonio, che, a causa della elevata temperatura superficiale (che attualmente va dai 130° C delle regioni illuminate dal Sole ai - 150° C di quelle in ombra) e della bassa gravità, fuggirono rapidamente.

Mentre l'irradiazione dei raggi UV (ultavioletti) e dei raggi X provocava la scissione degli elementi volatili, il bombardamento di particelle solari cariche potrebbe essere stato il motore dell'allontanamento dei gas più pesanti.

In seguito ad impatti giganteschi, una subsidenza di materiale scagliato all'esterno, di fango o lava, riempiva la morfologia in evoluzione, formando pianure assai vaste: i mari.

Le strutture tettoniche osservate suggeriscono che la deformazione crostale è avvenuta principalmente a causa di processi d'assestamento isostatico (isostasia), originati dall'accumulo in superficie d'ingenti quantità di materiali vulcanici associati alla formazione di grandi bacini da impatto. Le montagne non sono eccessivamente ripide: forti pendenze fino al 30% sono riscontrabili solo in pareti interne e picchi centrali di crateri di recente formazione.

Sondaggi con strumenti installati dalle missioni Apollo 12, 14 e 15 confermano la presenza d'attività sismica con periodicità mensile in corrispondenza della vicinanza massima alla Terra: nel settembre del 1971 è stato registrato un forte sisma a 660 km ad ovest del cratere Ticho, anche se la superficie lunare non sembra essere mai stata sede di movimenti crostali a grande scala.