月球撞击坑物质分布的定量研究
月球撞击坑物质分布的定量研究
摘要：
结合1:250万全月地质图编研对撞击坑物质分布定量表达的实际需求，中国科学院地球化学研究所刘建忠研究员团队与美国加州大学圣克鲁兹的Kreslavsky M. A教授合作，针对不同地体、不同规模的撞击坑，利用LOLA和Diviner数据提取了其地形粗糙度、岩块丰度和月壤温度等参数指标，分析了不同地体、不同规模撞击坑的坑物质亚类特征及其随时间变化的规律，开展了撞击坑物质分布定量表征的研究，探讨了利用坑物质退化特征进行撞击坑定年的可行性。
正文：
月球撞击坑是月球表面最为醒目的构造形迹，是研究太阳系撞击历史最为理想的对象，是行星年代学不可或缺的研究样本。同时，撞击坑及坑物质是月球地质图重要的图面表达要素，对撞击坑物质特征的定量研究是更加精确、合理和科学地开展月球地质图编研的基础。按照坑物质分布的空间位置及其展布特征，可以将撞击坑物质划分为中央峰、坑底、坑壁、连续溅射物和不连续溅射物等亚类。
本研究根据LPI发布的月球撞击坑数据库，选取了1491个有地质年代信息的撞击坑，分别绘制了他们的撞击坑物质亚类的分布特征，并提取了其形成年代、所属地体及直径等参数（图1）。根据Kreslavsky et al. (2013)提出的四分位剖面曲率计算地形粗糙度的方法及Bandfield et al. (2011)计算的石块丰度及夜间月壤温度数据，获取了每个撞击坑物质的地形粗糙度、石块丰度及月壤温度。根据这些定量指标，依次研究了撞击坑物质在年代、地体和大小间的特征差异。
图1：本研究中1491个撞击坑的年代信息及分布图。红色曲线为月海边界，黄色曲线为高地与南极艾肯地体的界限。
研究表明，撞击坑不同亚类物质随年代退化呈现相似的趋势，但又有明显的差异（图2）。撞击坑刚形成是粗糙度大，且坑内外均有很多石块，随时间逐渐退化消失，变为平坦地形，最终达到平衡饱和状态不再变化，达到平衡的时间大概为爱拉托逊纪。相对于坑底和坑壁物质，溅射物更容易达到平衡状态。哥白尼纪撞击坑的坑底，由于存在大量的撞击熔融物掺杂石块，及裂隙纹理和山丘鼓包特征，导致其在百米尺度的粗糙度及岩块丰度数值指标上均呈现高于坑壁的特点。
图2：坑底、坑壁和连续溅射物的地形粗糙度、岩块丰度和月壤温度随年代的退化特征。
不同地体、不同规模撞击坑的坑物质亚类特征也存在明显的差异（图3）。月海与高地的在百米尺度粗糙度和石块上的均存在整体巨大差异，在撞击坑的亚类单元中并没有体现。在南极艾肯地体上的撞击坑所有的坑物质均呈现较低的百米尺度粗糙度，分析可能与撞击通量相关，因为南极撞击通量小，年轻的百米级撞击坑相对少，导致相应尺度的粗糙度也较低。简单坑相比复杂坑生成更多的石块，呈现更高的月壤温度，可能与撞击生成熔融物的比例随着直径增大而增大有关。
图3：上图为坑底、坑壁和连续溅射物的地形粗糙度岩块丰度和月壤温度在地体间的差异，此处撞击坑仅包括哥白尼纪、爱拉托逊纪和晚雨海纪的撞击坑，以去除高地与月海的整体差异。下图为坑底、坑壁和连续溅射物的地形粗糙度岩块丰度和月壤温度在撞击坑大小间的差异，此处撞击坑仅包含月海区域，以去除基底物质差异的影像。
利用坑物质亚类演化的定量研究结果（图4），本文通过高分辨率影像辨别了9个错划为哥白尼纪的爱拉托逊纪撞击坑，分别为：Autolycus、Bel’kovich K、Birkhoff Z、Carpenter、Eudoxus、Mosting、O’Day、Taruntius和Virtanen。这一研究为利用坑物质亚类的退化特征开展撞击坑定年提供了一种可能。
图4：撞击坑坑壁的115米尺度粗糙度与石块丰度的散点图。其中BK表示典型划分地层年代错误的撞击坑Bel’kovich K。
参考文献：
Kreslavsky, M. A., Head, J. W., Neumann, G. A., Rosenburg, M. A., Aharonson, O., Smith, D. E., & Zuber, M. T. (2013). Lunar topographic roughness maps from Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA) data: Scale dependence and correlation with geologic features and units. Icarus, 226(1), 52-66.
Bandfield, J. L., Ghent, R. R., Vasavada, A. R., Paige, D. A., Lawrence, S. J., & Robinson, M. S. (2011). Lunar surface rock abundance and regolith fines temperatures derived from LRO Diviner Radiometer data. Journal of Geophysical Research, 116(E12), E00H02.
上述成果发表于Journal of Geophysical Research: Planets，论文第一作者是中国科学院地球化学研究所博士生王俊涛，通讯作者是地化所刘建忠研究员。该成果得到了中科院类地行星先导专项（XDB41000000）、中科院前沿重点部署项目（QYZDY‐SSW‐DQC028）、中科院创新交叉团队、国家自然科学基金（41941003、41773065和41490634）以及科技基础性工作专项（2015FY210500）等项目的资助。
论文信息：Wang, J., Kreslavsky, M. A., Liu, J., Head, J. W., Zhang, K., Kolenkina, M. M., & Zhang, L. (2020). Quantitative Characterization of Impact Crater Materials on the Moon: Changes in Topographic Roughness and Thermophysical Properties with Age. Journal of Geophysical Research: Planets, 125, e2019JE006091. https://doi.org/10.1029/2019JE006091
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