基于多源遥感数据的月球表面LQ--2区域撞击坑分布特征分析

陈彦冰，陈圣波，杨丛宇，王梓博，张玉峰

吉林大学 地球探测科学与技术学院，长春 130026

0 引言

21世纪以来，为了更好地开发利用月球资源，各国相继开展了月球深空探测试验。例如美国的月球勘测轨道飞行器(LRO)、欧空局的SMART--1号、日本的SELENE号和印度的Chandrayaan--1号。21世纪初，中国正式启动了月球探测工程。2020年11月24日成功发射嫦娥五号探测器，实现中国首次月球无人采样返回，探月工程实现了“绕、落、回”三步走的全部目标。这些月球探测数据为揭示月球表面形态和撞击过程以及研究月球演化规律提供重要依据。

17世纪，伽利略利用自制的望远镜绘制了月球陨石坑的第一张图；随后许多天文学家更加详细地描述了月球撞击坑[1]，并绘制出更精细的月表图。截止2012年5月，国际天文学联合会(IAU)发布 8 990 个撞击坑的名字、直径等属性的数据库。撞击坑是月球表面最典型、最直观的地貌形态，记录了数十亿年来月球的撞击历史[2]。撞击坑的形状在撞击形成后受到月球环境内外因素的影响，演化、变形等现象不断发生[3]，通过对月球撞击坑规模、坑形和溅射物覆盖层形态等方面[4--6]的深入研究，可以揭示月球撞击坑的形成过程[7--9]、反映月表形貌演化发展规律[10--11]，有利于建立月表构造模型[12--13]；还可以进一步认识月球岩性特征、地质特征和物质组成[14]，对于估算月球表面的地质年代[15]、反演月壤厚度[16]、推测月球的演化历史[17]以及修正探测器软着陆点[18]等具有重要意义。

针对以往研究对撞击坑识别范围窄、识别形态单一，较为复杂的撞击坑识别正确率低，无法满足精细研究撞击坑形态特征要求的问题，笔者基于多源遥感数据及其他已有国外月球地质资料，以月球起源和演化过程的整体性和规律性认识为指导，对研究区撞击坑进行提取和空间分布分析。该工作为研究月球撞击坑历史和演化过程提供依据，也是中国正在开展的全月数字地质图编研的一项基础性工作。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区域地貌特征

研究区域LQ--2位于月球背面的中纬区域，经纬度范围为120°～180°W，30°～65°N(图 1)，面积约为1 290 000 km2。该图幅位于月球高地上，撞击坑数量多、密度大，各个时期的撞击坑在研究区内广泛分布，是本图幅最显著的地质单元。图2是由美国LRO探测器的LOLA激光高度计数据制作的伯克霍夫幅DEM图。通过DEM图可以看出本地区的地形地貌特征：该图幅最低点为-4 830 m，最高点为6 987 m，图幅西部和东部地形相对较为平坦，有许多小型撞击坑，在撞击坑周围地形起伏较大。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Position of study area

图2 研究区DEM图Fig.2 DEM map of study area

1.2 数据源

在本次月球数字地质填图过程中使用到的数据详细名称及用途见表1。

表1 数据源及用途

2 研究方法

通过对研究区撞击坑进行解译，得到撞击坑数据。利用解译的数据对研究区域撞击坑进行空间分布分析，并对撞击坑形貌特征进行定量化描述。

坑物质类型划分坑物质的形成与陨石撞击作用和成坑过程密切相关，从撞击坑的形成机制[19]出发将坑物质划分为：中央峰物质、坑底物质、坑壁物质、连续溅射物和不连续溅射物。

撞击坑直径范围划分依据撞击能量较小时，形成的坑径较小，基本保留瞬时坑的形态，既没有坑底，也没有中央峰，直径不超过15 km。随着撞击能量变大，撞击坑不能保留其瞬时坑的形态，形成有坑底、坑壁、连续溅射物及不连续溅射物(辐射纹)的撞击坑，直径越大其坑底、坑壁的形态越复杂，呈现多山丘状或多层垮塌阶地。研究发现直径>35 km的撞击坑形态更为复杂，一般会形成中央峰，为反弹成因的隆起抬升[20]。基于此本文将撞击坑直径划分为<15 km、15～35 km和>35 km 3类进行分类统计。

3 结果与分析

该研究区域共解议直径>10 km撞击坑589个，其中艾肯纪撞击坑40个，酒海纪撞击坑245个，雨海纪撞击坑190个，爱拉托逊纪撞击坑21个，哥白尼纪撞击坑7个，未划分时代撞击坑86个。撞击坑各直径范围内的撞击坑数量如表2所示。由表2可知，研究区中小型撞击坑居多。哥白尼纪没有复杂型撞击坑；艾肯纪的撞击坑绝大部分为复杂型撞击坑，无小型撞击坑。

表2 研究区撞击坑直径和数量

将不同地质年代各直径范围撞击坑所占的比例以扇形图展示，更加直观地反映了月球撞击坑的情况图(图3)。由图3可知地质年代越久远，直径>35 km撞击坑的占比越多。撞击坑直径大小和撞击能量有关，根据表2和图3推测该研究区域哥白尼纪没有发生过大型撞击事件，酒海纪发生大型撞击事件的次数最多，但艾肯纪发生大型撞击事件的频率最高。

a.哥白尼纪； b.爱拉托逊纪；c.雨海纪；d.酒海纪； e.艾肯纪； f.未划分时代。图3 不同地质年代各直径范围不同撞击坑占比Fig.3 Different proportions of impact craters in different geological ages and diameters

在研究区域，共解译1 505个坑物质元。对不同地质年代撞击坑坑物质类型进行统计(图4)，哥白尼纪和未划分时代撞击坑无中央峰物质。图5为不同地质年代撞击坑坑物质占比，由图5看出，酒海纪撞击坑坑物质占比最多；艾肯纪撞击坑虽然数量较少，但坑物质占比仅次于酒海纪，说明艾肯纪大型撞击坑较多；哥白尼纪以小型天体撞击为主，坑物质在研究区中占比最少，不到1%。图4、图5的数据反映了撞击坑所处地质年代越老，大型撞击坑占比越多，形态复杂的撞击坑越多。

图4 不同类型坑物质个数Fig.4 Numbers of crater matters in different types

图5 不同地质年代坑物质占比Fig.5 Proportion of crater matters in different geological ages

在研究区，表达了直径>10 km、<200 km的撞击坑。为了保证撞击坑圆形的形态，投影选择兰伯特正形圆锥投影(lambert conformal conic projection)。对研究区撞击坑填图结果如图6，由图可见，艾肯纪、酒海纪和雨海纪撞击坑在图幅中均有分布；在图幅东部零星分布哥白尼纪撞击坑；爱拉托逊纪撞击坑主要在中部和东南部；未划分时代分布在图幅西北和西南部，大部分是简单的小型撞击坑。在图幅南部简单的小型撞击坑分布更为密集，靠近北极一侧形成年代较为久远的撞击坑大而稀疏。其整体的分布趋势为随着直径的增大，撞击坑数量减少，这也正反映了月球表面小型撞击事件发生概率远大于大型撞击事件发生概率。中小型撞击坑仍然占主导地位，其分布密度高，形成年代较早。

图6 研究区撞击坑坑物质分布图Fig.6 Material distribution of impact craters in study area

4 结论

(1)月球高地区出露大量直径较小的撞击坑，这些撞击坑分布密度大，形成时间较为一致，形貌特征简单；直径较大的撞击坑数量少，但形态类型丰富。

(2)研究区受到较多的陨石撞击，有着密集的撞击坑。对比不同地质年代撞击坑的直径分布范围可知，该区域以中小型天体撞击为主；撞击坑年代较为久远，由此推测早期撞击事件发生更密集，且大规模撞击事件主要发生在早期的艾肯纪和酒海纪。

(3)根据对不同地质年代撞击坑坑物质统计分析得出：撞击坑地质年代越早，直径较大和发育程度较高撞击坑占比越多。