陳彥冰，陳圣波，楊叢宇，王梓博，張玉峰

吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

21世紀(jì)以來，為了更好地開發(fā)利用月球資源，各國相繼開展了月球深空探測試驗(yàn)。例如美國的月球勘測軌道飛行器(LRO)、歐空局的SMART--1號、日本的SELENE號和印度的Chandrayaan--1號。21世紀(jì)初，中國正式啟動(dòng)了月球探測工程。2020年11月24日成功發(fā)射嫦娥五號探測器，實(shí)現(xiàn)中國首次月球無人采樣返回，探月工程實(shí)現(xiàn)了“繞、落、回”三步走的全部目標(biāo)。這些月球探測數(shù)據(jù)為揭示月球表面形態(tài)和撞擊過程以及研究月球演化規(guī)律提供重要依據(jù)。

17世紀(jì)，伽利略利用自制的望遠(yuǎn)鏡繪制了月球隕石坑的第一張圖；隨后許多天文學(xué)家更加詳細(xì)地描述了月球撞擊坑[1]，并繪制出更精細(xì)的月表圖。截止2012年5月，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)發(fā)布 8 990 個(gè)撞擊坑的名字、直徑等屬性的數(shù)據(jù)庫。撞擊坑是月球表面最典型、最直觀的地貌形態(tài)，記錄了數(shù)十億年來月球的撞擊歷史[2]。撞擊坑的形狀在撞擊形成后受到月球環(huán)境內(nèi)外因素的影響，演化、變形等現(xiàn)象不斷發(fā)生[3]，通過對月球撞擊坑規(guī)模、坑形和濺射物覆蓋層形態(tài)等方面[4--6]的深入研究，可以揭示月球撞擊坑的形成過程[7--9]、反映月表形貌演化發(fā)展規(guī)律[10--11]，有利于建立月表構(gòu)造模型[12--13]；還可以進(jìn)一步認(rèn)識月球巖性特征、地質(zhì)特征和物質(zhì)組成[14]，對于估算月球表面的地質(zhì)年代[15]、反演月壤厚度[16]、推測月球的演化歷史[17]以及修正探測器軟著陸點(diǎn)[18]等具有重要意義。

針對以往研究對撞擊坑識別范圍窄、識別形態(tài)單一，較為復(fù)雜的撞擊坑識別正確率低，無法滿足精細(xì)研究撞擊坑形態(tài)特征要求的問題，筆者基于多源遙感數(shù)據(jù)及其他已有國外月球地質(zhì)資料，以月球起源和演化過程的整體性和規(guī)律性認(rèn)識為指導(dǎo)，對研究區(qū)撞擊坑進(jìn)行提取和空間分布分析。該工作為研究月球撞擊坑歷史和演化過程提供依據(jù)，也是中國正在開展的全月數(shù)字地質(zhì)圖編研的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域地貌特征

研究區(qū)域LQ--2位于月球背面的中緯區(qū)域，經(jīng)緯度范圍為120°～180°W，30°～65°N(圖 1)，面積約為1 290 000 km2。該圖幅位于月球高地上，撞擊坑數(shù)量多、密度大，各個(gè)時(shí)期的撞擊坑在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布，是本圖幅最顯著的地質(zhì)單元。圖2是由美國LRO探測器的LOLA激光高度計(jì)數(shù)據(jù)制作的伯克霍夫幅DEM圖。通過DEM圖可以看出本地區(qū)的地形地貌特征：該圖幅最低點(diǎn)為-4 830 m，最高點(diǎn)為6 987 m，圖幅西部和東部地形相對較為平坦，有許多小型撞擊坑，在撞擊坑周圍地形起伏較大。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Position of study area

圖2 研究區(qū)DEM圖Fig.2 DEM map of study area

1.2 數(shù)據(jù)源

在本次月球數(shù)字地質(zhì)填圖過程中使用到的數(shù)據(jù)詳細(xì)名稱及用途見表1。

表1 數(shù)據(jù)源及用途

2 研究方法

通過對研究區(qū)撞擊坑進(jìn)行解譯，得到撞擊坑數(shù)據(jù)。利用解譯的數(shù)據(jù)對研究區(qū)域撞擊坑進(jìn)行空間分布分析，并對撞擊坑形貌特征進(jìn)行定量化描述。

坑物質(zhì)類型劃分坑物質(zhì)的形成與隕石撞擊作用和成坑過程密切相關(guān)，從撞擊坑的形成機(jī)制[19]出發(fā)將坑物質(zhì)劃分為：中央峰物質(zhì)、坑底物質(zhì)、坑壁物質(zhì)、連續(xù)濺射物和不連續(xù)濺射物。

撞擊坑直徑范圍劃分依據(jù)撞擊能量較小時(shí)，形成的坑徑較小，基本保留瞬時(shí)坑的形態(tài)，既沒有坑底，也沒有中央峰，直徑不超過15 km。隨著撞擊能量變大，撞擊坑不能保留其瞬時(shí)坑的形態(tài)，形成有坑底、坑壁、連續(xù)濺射物及不連續(xù)濺射物(輻射紋)的撞擊坑，直徑越大其坑底、坑壁的形態(tài)越復(fù)雜，呈現(xiàn)多山丘狀或多層垮塌階地。研究發(fā)現(xiàn)直徑>35 km的撞擊坑形態(tài)更為復(fù)雜，一般會(huì)形成中央峰，為反彈成因的隆起抬升[20]。基于此本文將撞擊坑直徑劃分為<15 km、15～35 km和>35 km 3類進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)果與分析

該研究區(qū)域共解議直徑>10 km撞擊坑589個(gè)，其中艾肯紀(jì)撞擊坑40個(gè)，酒海紀(jì)撞擊坑245個(gè)，雨海紀(jì)撞擊坑190個(gè)，愛拉托遜紀(jì)撞擊坑21個(gè)，哥白尼紀(jì)撞擊坑7個(gè)，未劃分時(shí)代撞擊坑86個(gè)。撞擊坑各直徑范圍內(nèi)的撞擊坑數(shù)量如表2所示。由表2可知，研究區(qū)中小型撞擊坑居多。哥白尼紀(jì)沒有復(fù)雜型撞擊坑；艾肯紀(jì)的撞擊坑絕大部分為復(fù)雜型撞擊坑，無小型撞擊坑。

表2 研究區(qū)撞擊坑直徑和數(shù)量

將不同地質(zhì)年代各直徑范圍撞擊坑所占的比例以扇形圖展示，更加直觀地反映了月球撞擊坑的情況圖(圖3)。由圖3可知地質(zhì)年代越久遠(yuǎn)，直徑>35 km撞擊坑的占比越多。撞擊坑直徑大小和撞擊能量有關(guān)，根據(jù)表2和圖3推測該研究區(qū)域哥白尼紀(jì)沒有發(fā)生過大型撞擊事件，酒海紀(jì)發(fā)生大型撞擊事件的次數(shù)最多，但艾肯紀(jì)發(fā)生大型撞擊事件的頻率最高。

a.哥白尼紀(jì)； b.愛拉托遜紀(jì)；c.雨海紀(jì)；d.酒海紀(jì)； e.艾肯紀(jì)； f.未劃分時(shí)代。圖3 不同地質(zhì)年代各直徑范圍不同撞擊坑占比Fig.3 Different proportions of impact craters in different geological ages and diameters

在研究區(qū)域，共解譯1 505個(gè)坑物質(zhì)元。對不同地質(zhì)年代撞擊坑坑物質(zhì)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖4)，哥白尼紀(jì)和未劃分時(shí)代撞擊坑無中央峰物質(zhì)。圖5為不同地質(zhì)年代撞擊坑坑物質(zhì)占比，由圖5看出，酒海紀(jì)撞擊坑坑物質(zhì)占比最多；艾肯紀(jì)撞擊坑雖然數(shù)量較少，但坑物質(zhì)占比僅次于酒海紀(jì)，說明艾肯紀(jì)大型撞擊坑較多；哥白尼紀(jì)以小型天體撞擊為主，坑物質(zhì)在研究區(qū)中占比最少，不到1%。圖4、圖5的數(shù)據(jù)反映了撞擊坑所處地質(zhì)年代越老，大型撞擊坑占比越多，形態(tài)復(fù)雜的撞擊坑越多。

圖4 不同類型坑物質(zhì)個(gè)數(shù)Fig.4 Numbers of crater matters in different types

圖5 不同地質(zhì)年代坑物質(zhì)占比Fig.5 Proportion of crater matters in different geological ages

在研究區(qū)，表達(dá)了直徑>10 km、<200 km的撞擊坑。為了保證撞擊坑圓形的形態(tài)，投影選擇蘭伯特正形圓錐投影(lambert conformal conic projection)。對研究區(qū)撞擊坑填圖結(jié)果如圖6，由圖可見，艾肯紀(jì)、酒海紀(jì)和雨海紀(jì)撞擊坑在圖幅中均有分布；在圖幅東部零星分布哥白尼紀(jì)撞擊坑；愛拉托遜紀(jì)撞擊坑主要在中部和東南部；未劃分時(shí)代分布在圖幅西北和西南部，大部分是簡單的小型撞擊坑。在圖幅南部簡單的小型撞擊坑分布更為密集，靠近北極一側(cè)形成年代較為久遠(yuǎn)的撞擊坑大而稀疏。其整體的分布趨勢為隨著直徑的增大，撞擊坑數(shù)量減少，這也正反映了月球表面小型撞擊事件發(fā)生概率遠(yuǎn)大于大型撞擊事件發(fā)生概率。中小型撞擊坑仍然占主導(dǎo)地位，其分布密度高，形成年代較早。

圖6 研究區(qū)撞擊坑坑物質(zhì)分布圖Fig.6 Material distribution of impact craters in study area

4 結(jié)論

(1)月球高地區(qū)出露大量直徑較小的撞擊坑，這些撞擊坑分布密度大，形成時(shí)間較為一致，形貌特征簡單；直徑較大的撞擊坑數(shù)量少，但形態(tài)類型豐富。

(2)研究區(qū)受到較多的隕石撞擊，有著密集的撞擊坑。對比不同地質(zhì)年代撞擊坑的直徑分布范圍可知，該區(qū)域以中小型天體撞擊為主；撞擊坑年代較為久遠(yuǎn)，由此推測早期撞擊事件發(fā)生更密集，且大規(guī)模撞擊事件主要發(fā)生在早期的艾肯紀(jì)和酒海紀(jì)。

(3)根據(jù)對不同地質(zhì)年代撞擊坑坑物質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析得出：撞擊坑地質(zhì)年代越早，直徑較大和發(fā)育程度較高撞擊坑占比越多。