月球撞擊坑識別的研究現(xiàn)狀與展望 |姜衍等-SCES

太陽系撞擊歷史對探索系內(nèi)行星宜居性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分、表面環(huán)境和大氣演化具有重要指導(dǎo)意義。月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，距離地球最近，探測數(shù)據(jù)最豐富，且月球表面的撞擊坑保存最完整，因此月球是研究太陽系早期撞擊歷史的天然實驗室。此外，研究月球表面不同類型撞擊坑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還有助于理解月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和月球內(nèi)外動力學(xué)過程。然而，在經(jīng)歷重復(fù)撞擊和可能的巖漿活動的情況下，一些先存撞擊坑會被掩埋，這種類型的撞擊坑稱為隱伏撞擊坑(Evans e al., 2016)。隱伏撞擊坑的存在會影響估計撞擊坑的尺寸、空間分布和統(tǒng)計完整性，并影響對月球撞擊通量模型的精確厘定。隱伏撞擊坑在地形上不可見，因此需要利用重力等地球物理方法進(jìn)行有效識別。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士研究生姜衍和導(dǎo)師徐長儀副研究員、陳凌研究員利用遙感、地形獲取的撞擊坑數(shù)據(jù)，以及利用重力數(shù)據(jù)識別的隱伏撞擊坑，分析了地表撞擊坑與隱伏撞擊坑的表面特征、重力異常和重力梯度特征、殼幔界面起伏特征等，結(jié)合月球撞擊坑統(tǒng)計定年方法，分析了月球典型撞擊盆地的年齡并驗證了多種月球撞擊通量模型。

圖1 撞擊坑形成過程及形態(tài)學(xué)特征(a)、月球地形(b)、小尺寸撞擊坑(c)和大尺寸撞擊盆地(d)的表面和殼幔界面起伏特征

他們總結(jié)了利用GRAIL重力數(shù)據(jù)對撞擊坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果：(1)大型撞擊(形成直徑大于200 km的盆地)會導(dǎo)致月幔隆起，而小型撞擊(形成直徑小于200 km的撞擊坑)則不會導(dǎo)致顯著的月幔反彈；(2)撞擊后回彈產(chǎn)生的月幔隆起周圍存在溝槽結(jié)構(gòu)（圖1d），對高地撞擊盆地殼幔界面的重力反演結(jié)果也支持這一結(jié)論，但月海內(nèi)部的撞擊盆地沒有發(fā)現(xiàn)這一特征，這可能表明月海內(nèi)部的月殼經(jīng)歷了更長時間的撞擊后回彈過程。

雖然已有的證據(jù)表明月球早期撞擊通量隨著時間逐漸減小，但Nice模型提出，內(nèi)小行星帶在3.9~4.1 Ga期間被木星和土星的軌道共振破壞，大量小行星進(jìn)入類地行星軌道，可能導(dǎo)致該時期內(nèi)類地行星出現(xiàn)過一次撞擊高峰期，這一事件被稱為晚期重轟擊事件(Late Heavy Bombardment, LHB, Tsiganis et al., 2005)。然而，目前對LHB的研究手段只有數(shù)值模擬，缺乏觀測證據(jù)的支持，因此對LHB的是否存在以及發(fā)生的時間還存在爭議。

他們從撞擊坑統(tǒng)計定年的角度討論了月球早期撞擊通量。由于一些古老盆地被后期火山活動噴發(fā)的玄武巖覆蓋，利用統(tǒng)計定年的方法分析盆地年齡時，只能選取與盆地形成有關(guān)的濺射毯或殘存區(qū)域，統(tǒng)計區(qū)域的不確定性會對結(jié)果產(chǎn)生影響。匯編了地形撞擊坑和隱伏撞擊坑數(shù)據(jù)庫，將統(tǒng)計區(qū)域擴(kuò)展到整個盆地內(nèi)部，獲取了這些古老盆地的撞擊坑密度和相對年齡，并從兩個方面對月球早期撞擊通量進(jìn)行了約束：(1)重新估計了年齡在35~40億年的撞擊盆地的N(90)值；(2)估計了年齡>40億年的撞擊盆地的N(90)值，并根據(jù)撞擊坑密度與月殼孔隙度之間的經(jīng)驗關(guān)系校正了達(dá)到撞擊平衡的盆地的N(90)值。最終的N(90)估計值與已有的月球早期撞擊通量模型進(jìn)行了對比驗證，結(jié)果與39.5億年晚期重轟擊模型(LHB18模型)吻合較好(圖2)。

圖2 月球3.5~4.5 Ga撞擊通量模型與觀測撞擊坑密度對比

他們還總結(jié)了目前研究的不足和未來研究方向。首先，月球小尺寸隱伏撞擊坑的識別完整性仍不足，如何充分挖掘高階重力場信息，準(zhǔn)確識別小尺寸隱伏撞擊坑將是關(guān)鍵。其次，仍需改進(jìn)撞擊坑統(tǒng)計的方法，準(zhǔn)確統(tǒng)計大型古老盆地內(nèi)的撞擊坑密度值。此外，月球最大且最古老的撞擊盆地—南極艾肯盆地的形成時間尚不明確，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確年齡是研究月球早期熱演化和撞擊歷史的重要信息。未來的研究也可基于粘彈性理論，利用重力方法研究南極艾肯盆地的撞擊后回彈過程，進(jìn)一步約束該盆地可能的形成時間。此外，嫦娥6號樣品定年有望厘定南極艾肯盆地的形成時間，結(jié)合撞擊坑統(tǒng)計定年，可以更新月球撞擊通量曲線，檢驗晚期重轟擊模型。

研究成果發(fā)表于Science China Earth Sciences(Jiang Y, Xu C Y, Chen L. An overview and perspective of identifying lunar craters[J].Science China Earth Sciences, 2024, 67: 1395-1416. DOI: 10.1007/s11430-023-1233-2.)。研究受中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)項目(IGGCAS-202102, IGGCAS-201904)、國家自然科學(xué)基金項目(42288201, 41704080, 42274114)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2022YFF0503200)資助。

編輯：劉強(qiáng)