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岳宗玉等:火星壁垒撞击坑的形成机制

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论文信息:Yue Z, Li H, Gou S. Investigation of ejecta emplacement by modeling oblique impacts into layered icy targets on Mars [J]. Icarus, 2027, 461, 117301.DOI: 10.1016/j.icarus.2026.117301.

在火星表面,很多撞击坑的溅射席呈现出流体化的形态,而且在这些流体化溅射席的末端有一个壁垒,看起来像是在流动过程中突然停止,从而使这些物质在末端堆积起来形成的,这种形态的撞击坑通常称为壁垒撞击坑(图1)。一般认为这种撞击坑的形成与火星表层曾经存在水冰密切相关,因此它们对于分析火星地质演化历史以及气候变迁具有重要的意义。


图1 火星表面一个直径约9.5 km的壁垒撞击坑(7.56°N, 73.09°W);图像为CTX数据,分辨率为5 m/pixel。图中线段比例尺为5 km

在之前的研究中,大量的工作是通过遥感观测与分析进行的,但是更直接的研究则来自对这种撞击坑形成过程的数值模拟,然而,之前针对这种撞击坑形成过程的数值模拟都是二维的,但是撞击角度对于溅射物的形成具有较大的影响,因此很有必要针对这种撞击坑的形成过程开展三维数值模拟;另外,之前的工作并没有同时模拟壁垒的形成,而这恰好是分析壁垒撞击坑的形成机制所必须的。

中国科学院地质与地球物理研究所岳宗玉研究员,以及芶盛副研究员和李华成博士后,利用自主研发的超高速撞击三维数值模拟程序SALEc(https://github.com/huachengli/SALEc-public),在相同陨石半径(100 m)、相同撞击速度(10 km/s)、相同冰层厚度(100 m)的条件下,设置不同撞击角度(15°~90°),模拟了三种类型的靶体(纯玄武岩靶体、表层冰靶体、以及埋藏冰靶体)条件下火星撞击坑的形成过程,共开展了18次数值模拟,每次模拟都使用约5.4亿个计算网格,系统分析了冰层的存在对于火星撞击坑形成的影响,并且使用示踪粒子分析这些撞击坑的溅射席的形成过程。

研究表明,冰层位置对撞击坑的形成具有重要影响,当冰层被掩埋在地下时,由于冰与岩石之间存在显著的强度差异,冲击波在物质交界面发生反射,最终会挖掘出独特的阶梯状或平底撞击坑。相比之下,如果同等厚度的冰层直接暴露在行星地表,其形成的撞击坑形态和尺寸则与纯玄武岩靶体条件下差别不大(图2)。



图2 在火星表面相同撞击条件下,三种不同靶体所产生的瞬时坑剖面形态。红色球体代表初始撞击体,蓝色代表水冰,绿色代表玄武岩。横纵坐标轴均已使用撞击体半径进行归一化

接下来,他们利用撞击过程中的峰值压强分析了溅射物中水冰的状态(图3)。研究结果表明,当水冰被掩埋在地下时,水冰层大量融化,并且广泛分布在远离撞击坑边缘的外围区域;而表层冰靶体模型中水冰的融化比例相对较低,这是因为表层冰模型中,大量的水冰受到的冲击压强并不高,而在埋藏冰模型中水冰恰好位于高压区,从而更容易发生融化。



图3 溅射物中水冰融化的比例分布规律。左列和右列分别对应表层冰靶体和埋藏冰靶体,每行的撞击角度相同,从上到下依次为 90°、75°、60°、45°、30°和15°

溅射物落地之后会由于惯性继续滑动,他们以不可压缩模型为基础,模拟了这些溅射物最终的形态,发现这三种靶体条件下将形成三种截然不同的地貌特征(图4):(1)纯玄武岩靶体:溅射物厚度随着距离的增加呈简单的指数级迅速衰减,越远越薄;(2)表层冰靶体:形成了一种无明显边缘凸起的“高原状”平坦地貌。撞击融化产生的少量液态水虽然起到了润滑作用,让物质散布得更广,但由于融化水量有限,物质无法在边缘堆积隆起;(3)埋藏冰靶体:完美复现了火星上典型的“壁垒撞击坑”形态,即在最远端堆积形成了“壁垒”。



图4 45°撞击角下三种靶体模型的溅射物厚度径向剖面。 (a) 纯玄武岩靶体模型;(b) 表层冰靶体模型;(c) 埋藏冰靶体模型。横轴表示距坑缘的径向距离(已使用最终撞击坑半径归一化),纵轴表示溅射物厚度

该研究首次对火星壁垒撞击坑的形成过程开展了三维数值模拟,而且以此为初始条件,再现了溅射物随后的形成过程。研究证实,在埋藏冰靶体模型中,水冰将会发生大量融化,极大地降低了底部的摩擦阻力,使得溅射物能以极高的流动性向外奔涌;当这种溅射席向外铺展并变薄到某一临界阈值时,物质内部的粘滞阻力会瞬间超过重力和惯性,导致流动发生“急刹车”。这种突然的停滞,迫使物质在边缘堆积成了高耸的壁垒,这就是火星壁垒撞击坑的形成机制。

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