岳宗玉等：火星壁垒撞击坑的形成机制

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。