月球撞击坑识别的研究现状与展望 |姜衍等-SCES

太阳系撞击历史对探索系内行星宜居性、内部结构和成分、表面环境和大气演化具有重要指导意义。月球是地球唯一的天然卫星，距离地球最近，探测数据最丰富，且月球表面的撞击坑保存最完整，因此月球是研究太阳系早期撞击历史的天然实验室。此外，研究月球表面不同类型撞击坑的内部结构还有助于理解月球内部结构和月球内外动力学过程。然而，在经历重复撞击和可能的岩浆活动的情况下，一些先存撞击坑会被掩埋，这种类型的撞击坑称为隐伏撞击坑(Evans e al., 2016)。隐伏撞击坑的存在会影响估计撞击坑的尺寸、空间分布和统计完整性，并影响对月球撞击通量模型的精确厘定。隐伏撞击坑在地形上不可见，因此需要利用重力等地球物理方法进行有效识别。

中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生姜衍和导师徐长仪副研究员、陈凌研究员利用遥感、地形获取的撞击坑数据，以及利用重力数据识别的隐伏撞击坑，分析了地表撞击坑与隐伏撞击坑的表面特征、重力异常和重力梯度特征、壳幔界面起伏特征等，结合月球撞击坑统计定年方法，分析了月球典型撞击盆地的年龄并验证了多种月球撞击通量模型。

图1 撞击坑形成过程及形态学特征(a)、月球地形(b)、小尺寸撞击坑(c)和大尺寸撞击盆地(d)的表面和壳幔界面起伏特征

他们总结了利用GRAIL重力数据对撞击坑内部结构的研究结果：(1)大型撞击(形成直径大于200 km的盆地)会导致月幔隆起，而小型撞击(形成直径小于200 km的撞击坑)则不会导致显著的月幔反弹；(2)撞击后回弹产生的月幔隆起周围存在沟槽结构（图1d），对高地撞击盆地壳幔界面的重力反演结果也支持这一结论，但月海内部的撞击盆地没有发现这一特征，这可能表明月海内部的月壳经历了更长时间的撞击后回弹过程。

虽然已有的证据表明月球早期撞击通量随着时间逐渐减小，但Nice模型提出，内小行星带在3.9~4.1 Ga期间被木星和土星的轨道共振破坏，大量小行星进入类地行星轨道，可能导致该时期内类地行星出现过一次撞击高峰期，这一事件被称为晚期重轰击事件(Late Heavy Bombardment, LHB, Tsiganis et al., 2005)。然而，目前对LHB的研究手段只有数值模拟，缺乏观测证据的支持，因此对LHB的是否存在以及发生的时间还存在争议。

他们从撞击坑统计定年的角度讨论了月球早期撞击通量。由于一些古老盆地被后期火山活动喷发的玄武岩覆盖，利用统计定年的方法分析盆地年龄时，只能选取与盆地形成有关的溅射毯或残存区域，统计区域的不确定性会对结果产生影响。汇编了地形撞击坑和隐伏撞击坑数据库，将统计区域扩展到整个盆地内部，获取了这些古老盆地的撞击坑密度和相对年龄，并从两个方面对月球早期撞击通量进行了约束：(1)重新估计了年龄在35~40亿年的撞击盆地的N(90)值；(2)估计了年龄>40亿年的撞击盆地的N(90)值，并根据撞击坑密度与月壳孔隙度之间的经验关系校正了达到撞击平衡的盆地的N(90)值。最终的N(90)估计值与已有的月球早期撞击通量模型进行了对比验证，结果与39.5亿年晚期重轰击模型(LHB18模型)吻合较好(图2)。

图2 月球3.5~4.5 Ga撞击通量模型与观测撞击坑密度对比

他们还总结了目前研究的不足和未来研究方向。首先，月球小尺寸隐伏撞击坑的识别完整性仍不足，如何充分挖掘高阶重力场信息，准确识别小尺寸隐伏撞击坑将是关键。其次，仍需改进撞击坑统计的方法，准确统计大型古老盆地内的撞击坑密度值。此外，月球最大且最古老的撞击盆地—南极艾肯盆地的形成时间尚不明确，其内部结构和准确年龄是研究月球早期热演化和撞击历史的重要信息。未来的研究也可基于粘弹性理论，利用重力方法研究南极艾肯盆地的撞击后回弹过程，进一步约束该盆地可能的形成时间。此外，嫦娥6号样品定年有望厘定南极艾肯盆地的形成时间，结合撞击坑统计定年，可以更新月球撞击通量曲线，检验晚期重轰击模型。

研究成果发表于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.)。研究受中国科学院地质与地球物理研究所重点项目(IGGCAS-202102, IGGCAS-201904)、国家自然科学基金项目(42288201, 41704080, 42274114)、国家重点研发计划项目(2022YFF0503200)资助。