李华成 | 岳宗玉：月球中央峰和峰环撞击坑的形成机制

论文信息：Li H, Yue Z. Numerical simulations of the central peak to peak ring transition of complex craters[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2026, 131, e2025JE009537. DOI: 10.1029/2025JE009537.

在月球表面，撞击坑的形态随尺寸增大而发生显著变化。当直径超过~15 km时，撞击坑逐渐由碗状的简单坑过渡为坑底较平坦、深径比较小的复杂坑，并出现中央峰；当直径进一步增大至~140 km时，中央峰形态逐渐被峰环取代（图1）。这些中央隆起或环状结构，仿佛石子投入池塘后激起的波纹，在某一瞬间被“冻结”。然而，撞击发生在固体月球上，岩石为何能够像流体一样运动？这种流动又为何在短时间内停止，留下我们今天看到的地貌？为解释这一现象，行星科学家Jay Melosh在1979年提出了声波液化模型。其核心思想是：撞击产生的强烈振动能够暂时降低岩石的有效强度，使其表现出类似流体的变形行为；随着振动衰减，靶体的固体属性重新占据优势，从而形成了目前看到的撞击坑形态。

图1 月球表面两种类型的复杂撞击坑；背景为LOLA数据叠加在LROC WAC影像数据，向上为北向。（a）具有中央峰的第谷撞击坑；（b）中央具有峰环结构的薛定谔撞击坑

声波液化模型随后被用在撞击坑的数值模拟中，并且做了一些简化，称之为Block模型，这种模型本质上描述的是单个块体沿表面滑动的过程，而且忽略了声学能量的再生；这种模型表现出与原始的Melosh模型非常相似的流变行为，是目前在撞击坑数值模拟中应用非常广泛的一种模型。对于月球而言，如果不使用声波液化模型，那么无论撞击坑规模有多大，数值模拟得到的撞击坑总是碗型的简单坑，而使用声波液化模型之后就可以再现复杂撞击坑的地貌形态。Melosh等人还将这种模型推广到大型高速远程滑坡和低角度正断层中，认为在这些地质过程中产生的极低的视摩擦系数也是由于碎屑内部的振动导致了短时间内物质强度的降低。

在Block模型中，物质强度的短时间弱化由两个无量纲参数控制：γη和γβ。参数γη用于控制与声学流化材料变形相关的有效粘度，而γβ控制振动诱发弱化的衰减率。遗憾的是，在之前的研究中关于这两个参数的取值存在相当大的争议，其中γη的变化范围甚至达到0.0008~0.21，这导致撞击坑数值模拟中的参数选取缺乏明确的依据与统一标准。而且更重要的是，很少有研究能够准确地再现中央峰或者峰环结构，而且，为数不多的研究得到的从中央峰撞击坑到峰环撞击坑的转换直径，与观测值也不一致。

针对这些问题，中国科学院地质与地球物理研究所岳宗玉研究团队使用自主研发的二维撞击坑数值模拟程序SALEc-2D（开源网址：https://github.com/huachengli/SALEc-2D-public），在广泛的γη和γβ范围内进行了350次数值模拟，约束条件包括观测所得到的月球撞击坑中央峰和峰环形态、深度直径比值、以及月球表面中央峰撞击坑向峰环撞击坑的过渡直径，从而得到以观测事实为依据的参数范围。

这些数值模拟的算例涉及5个撞击体半径值、7个γη值和10个γβ值，使用γη0=0.015和γβ0=300作为参考值。7个γη值分别对应于1/8γη0,1/4γη0,1/2γη0,γη0,2γη0,4γη0和8γη0，参数γβ在10个均匀分布的值处进行采样：50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450和500。每次模拟都在1024×1024的网格上进行。模拟结果表明，在相同的撞击条件下，增大γβ值将依次产生简单撞击坑、中央峰撞击坑、峰环撞击坑，但是如果γη值太低，较大的γβ值会抑制中央峰或峰环的形成；另一方面，较大的γη值将增加不同类型的撞击坑转换直径（图2）。结合其他撞击坑直径条件下的数值模拟结果（更多结果图参见原文），经过与遥感观测结果的对比，就可以获得合适的参数空间。

图2 在不同AF参数组合下，使用半径为1.0 km的撞击体模拟的最终撞击坑形态。模拟结果的每一行代表具有相同[γη]的情况，而每一列对应相同的[γβ]。所有的撞击坑形态均已按其最终半径进行了归一化处理。每个子图的左下角标明了撞击坑的类型：灰色、蓝色和橙色分别代表简单坑（S）、中央峰坑（CP）和峰环坑（PR）。黑色的点线、虚线和实线剖面分别指示了边缘滑坡、中心回弹和过度回弹塌陷

为了深入分析声波液化模型中的参数如何影响撞击坑的形态，他们进而分析了不同的参数对物质运动速度和振动速度的影响（图3）。在压缩和挖掘阶段，使用不同声波液化模型参数得到的所有模拟结果均表现出相似的瞬态撞击坑几何形态及振动速度分布，这种相似性表明，初始挖掘过程主要受冲击波传播控制，而声波液化模型参数的影响很小。当瞬态撞击坑达到最大深度后，不同模拟之间的差异开始显现。较低的粘度或较长的振动衰减时间会促进坑底下方发生更广泛的向内流动，导致更强烈的向上运动和更大的中央隆起。增加粘度或缩短衰减时间则会将变形限制在坑底中心下方较小的区域内。

图 3 在不同有效粘度系数(γη)和固定振动衰减系数(γβ)下，1 km撞击体模拟中撞击坑形成的演化过程。颜色表示振动速度，细线表示变形区域内的流线

由此可见，撞击坑的形态对声波液化模型参数非常敏感，通过对比月球观测数据，锁定了两组能同时重现中央峰撞击坑-峰环撞击坑过渡直径及深径比的核心参数：(a) γβ=200∼300, γη=0.03；(b) γβ=200, γη=0.00375∼0.0075。综上所述，参数合适的Block模型可全面复现月球复杂撞击坑的各项演化特征。