太陽(yáng)系撞擊歷史對探索系內行星宜居性、內部結構和成分、表面環(huán)境和大氣演化具有重要指導意義。月球是地球唯一的天然衛星，距離地球最近，探測數據最豐富，且月球表面的撞擊坑保存最完整，因此月球是研究太陽(yáng)系早期撞擊歷史的天然實(shí)驗室。此外，研究月球表面不同類(lèi)型撞擊坑的內部結構還有助于理解月球內部結構和月球內外動(dòng)力學(xué)過(guò)程。然而，在經(jīng)歷重復撞擊和可能的巖漿活動(dòng)的情況下，一些先存撞擊坑會(huì )被掩埋，這種類(lèi)型的撞擊坑稱(chēng)為隱伏撞擊坑(Evans e al., 2016)。隱伏撞擊坑的存在會(huì )影響估計撞擊坑的尺寸、空間分布和統計完整性，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(jiàn)，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師徐長(cháng)儀副研究員、陳凌研究員利用遙感、地形獲取的撞擊坑數據，以及利用重力數據識別的隱伏撞擊坑，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，結合月球撞擊坑統計定年方法，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(guò)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
他們總結了利用GRAIL重力數據對撞擊坑內部結構的研究結果：(1) 大型撞擊(形成直徑大于200 km的盆地)會(huì )導致月幔隆起，而小型撞擊(形成直徑小于200 km的撞擊坑)則不會(huì )導致顯著(zhù)的月幔反彈；(2) 撞擊后回彈產(chǎn)生的月幔隆起周?chē)嬖跍喜劢Y構（圖1d），對高地撞擊盆地殼幔界面的重力反演結果也支持這一結論，但月海內部的撞擊盆地沒(méi)有發(fā)現這一特征，這可能表明月海內部的月殼經(jīng)歷了更長(cháng)時(shí)間的撞擊后回彈過(guò)程。
雖然已有的證據表明月球早期撞擊通量隨著(zhù)時(shí)間逐漸減小，但Nice模型提出，內小行星帶在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(lèi)地行星軌道，可能導致該時(shí)期內類(lèi)地行星出現過(guò)一次撞擊高峰期，這一事件被稱(chēng)為晚期重轟擊事件(Late Heavy Bombardment, LHB, Tsiganis et al., 2005)。然而，目前對LHB的研究手段只有數值模擬，缺乏觀(guān)測證據的支持，因此對LHB的是否存在以及發(fā)生的時(shí)間還存在爭議。
他們從撞擊坑統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(dòng)噴發(fā)的玄武巖覆蓋，利用統計定年的方法分析盆地年齡時(shí)，只能選取與盆地形成有關(guān)的濺射毯或殘存區域，統計區域的不確定性會(huì )對結果產(chǎn)生影響。匯編了地形撞擊坑和隱伏撞擊坑數據庫，將統計區域擴展到整個(gè)盆地內部，獲取了這些古老盆地的撞擊坑密度和相對年齡，并從兩個(gè)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，并根據撞擊坑密度與月殼孔隙度之間的經(jīng)驗關(guān)系校正了達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(guān)測撞擊坑密度對比
他們還總結了目前研究的不足和未來(lái)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(chǎng)信息，準確識別小尺寸隱伏撞擊坑將是關(guān)鍵。其次，仍需改進(jìn)撞擊坑統計的方法，準確統計大型古老盆地內的撞擊坑密度值。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(shí)間尚不明確，其內部結構和準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(lái)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(guò)程，進(jìn)一步約束該盆地可能的形成時(shí)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(shí)間，結合撞擊坑統計定年，可以更新月球撞擊通量曲線(xiàn)，檢驗晚期重轟擊模型。
研究成果發(fā)表于SC-ES (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。
