雙層濺射席撞擊坑年代學特征對火星中緯度冰期及傾角變化的啟示

火星中緯度地區廣泛分布的非極地冰緣地貌（如相互疊加的粘性流特征、升華凹陷等）強烈暗示著該地區曾經歷過多階段性的“中緯度冰期事件”（Mid-latitude Ice Ages）。目前學界普遍認為，這些冰期旋回事件是由火星自轉軸傾角（obliquity）在地質歷史中發生的強烈周期性振蕩所驅動的（傾角變化范圍約為10°–60°，最大可達80°）。傾角的變化通過調控太陽輻射量在火星表面的緯度分布，進而引發地表水冰的大尺度遷移與重分布，成為火星氣候變化的主要外部驅動機制（類似地球的米蘭科維奇理論），這一觀點已得到火星軌道動力學與氣候模擬研究的有力支持。

然而，盡管地貌學證據清晰且理論模型一致，但中緯度冰期在火星地質歷史中具體的發生時間、持續時長以及演化節律仍缺乏定量約束，制約了我們對火星氣候系統演化機制的深入理解。針對這一關鍵科學問題，中國科學院國家空間科學中心科研團隊聯合布朗大學，以中緯度冰期的典型產物——雙層濺射席（Double Layered Ejecta, DLE）撞擊坑（圖1a-c）為研究對象，系統開展了撞擊坑統計年代學分析。研究結果揭示火星在過去約35億年間經歷了多次非連續的中緯度冰期旋回事件，其年代分布與軌道動力學模型預測的傾角變化高度吻合，為厘清火星近地表水冰演化與軌道傾角周期性變化之間的耦合關系提供了重要的觀測證據和定量約束。

圖1.（a–c）火星表面典型DLE撞擊坑示例；（d）火星DLE撞擊坑的全球空間分布圖，其中黑點表示已識別的所有DLE撞擊坑，白點代表本研究中選取用于年代學分析的142個樣本；（e）DLE撞擊坑的緯度分布統計圖，展示其在不同緯度帶的空間分布特征及聚集趨勢。

DLE撞擊坑是火星上一類典型的層狀濺射席撞擊坑，其濺射席呈現雙層結構，內層明顯覆蓋于外層之上。該類撞擊坑主要分布在火星中緯度地區（圖1d），其濺射席表面常見放射狀線性溝槽。DLE撞擊坑的雙層濺射結構及緯度聚集特征（圖1e）最近被認為與火星高傾角時期近地表富冰基質的存在密切相關，因此被視為識別火星中緯度冰期旋回事件的重要地貌指示物（圖2）。

圖2.火星DLE撞擊坑形成與自轉軸傾角變化相關的近地表富冰沉積物分布模式示意圖。圖中橙色表示火星表面或近地表的干旱區域，白色表示富含水冰的區域，二者之間的顏色漸變反映了冰含量在空間上的分布梯度。（a）在高傾角階段（約35°）時，水冰在中緯度地區保持穩定，為DLE撞擊坑的大量形成提供了有利條件；（b）在低傾角階段（約25°，即當前），地溫變化導致中低緯近地表水冰不穩定，水冰主要在極地附近穩定存在。然而，部分水冰沉積物（如LDM及其他冰質物質）由于升華滯后效應而仍能在一定時期內支撐DLE撞擊坑的形成（主要分布于高緯度地區，且其規模顯著減小）。

基于圖2所示的理論模型（火星軌道傾角的周期性變化通過調控地表水冰的空間分布進而影響DLE撞擊坑的形成條件），本研究開展了定量化的年代學研究以檢驗該機制的地質記錄。具體而言，我們利用火星偵察軌道器（MRO）搭載的CTX相機獲取的高分辨率影像（空間分辨率約6 m/pixel），在火星中緯度地區（30°–60°）隨機選取了142個DLE撞擊坑樣本，開展了系統的撞擊坑統計定年分析。結果表明，這些DLE撞擊坑的絕對模式年齡（Absolute Model Ages, AMAs）分布范圍從約4.5 Ma至3.5 Ga，覆蓋了西方紀以來的多個地質時期，且呈現出明顯的時間聚集特征。為進一步揭示這些年齡的潛在聚類模式，本文引入非參數統計方法——核密度估計（Kernel Density Estimation, KDE），對年齡數據進行了建模分析，識別出若干具有統計意義的“顯著峰”信號（圖3）。我們認為這些峰為火星中緯度地區經歷高傾角時，近地表富冰地層穩定存在并形成DLE撞擊坑的關鍵氣候窗口，反映出多個時期的中緯度冰期旋回事件。這些年齡峰不僅與軌道動力學模型預測的高平均傾角階段高度吻合，也得到了其他冰川地貌與基座撞擊坑（pedestal craters）定年研究的有力支持。特別是，我們的定年結果顯示最年輕的DLE撞擊坑年齡約為4.5 Ma，恰對應模型預測的約3–5 Ma間火星軌道由高傾角（約35°）向低傾角（約25°）過渡時期，這一結果可能標志著中緯度地區富冰層廣泛穩定分布的終結。此外，研究還發現，DLE撞擊坑的形成年代并未表現出明顯的周期性分布特征，反而揭示出火星軌道傾角在更長時間尺度上可能呈現非周期性的演化趨勢。這一結果為識別火星氣候演化歷史中可能存在的間冰期演化規律提供了間接證據，并為深入探討火星古氣候演化的復雜性與多樣性提供了重要線索。

圖3.不同帶寬條件下DLE撞擊坑絕對模式年齡的KDE分析結果。（a）合并南、北半球樣本的KDE結果；（b）南北半球DLE撞擊坑絕對模式年齡的獨立KDE對比分析。

本研究構建了全球尺度的DLE撞擊坑年代序列及其統計分布特征，建立了用于重建火星中緯度冰期演化歷史的系統年代學框架，突破了傳統地貌解譯在冰期時序量化方面的限制。該成果不僅為火星中緯度地區水冰的時空演化提供了關鍵的定量時間約束，也為理解軌道傾角強迫機制驅動下的火星古氣候周期變化提供了重要的地貌與年代學證據。通過揭示中緯度冰期的發生時序與軌道演化的高度耦合關系，本研究對深化認識火星氣候演化機制、重建其水環境歷史、以及評估未來火星宜居性演化潛力均具有重要意義。

該項工作以“Recurring Ice Ages at Martian Mid-latitudes Evidenced by Characterizing Double Layered Ejecta (DLE) Craters”為題發表在JGR-Planets上，論文第一作者為中科院國家空間科學中心的牛勝利特別研究助理，通訊作者為張鋒研究員，合作者包括郭弟均副研究員、劉洋研究員和鄒永廖研究員。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和空間中心“攀登計劃”等項目的聯合資助。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1029/2024JE008883

作者：張鋒

編輯：李婧

審核：李陽

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