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EPP

地球与行星物理

ISSN  2096-3955

CN  10-1502/P

常伊人,肖智勇等: 重建嫦娥四号着陆区的地质框架

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重建嫦娥四号着陆区的地质框架

常伊人,肖智勇 等

澳门科技大学,月球与行星科学国家重点实验室

嫦娥四号任务的两个关键科学目标是了解月球背面的浅表层结构,探索冯·卡门撞击坑底部的地表成分并寻找可能的存在的撞击挖掘的月幔。但是,这可不是一项简单的任务。冯·卡门撞击坑形成后,底部被火山喷发形成的玄武岩平原所覆盖。在此之后的30多亿年里,此月海平原被很多后续的撞击事件扰动,整个着陆区被不同大小和退化状态的二次坑占据。其中最典型的例子是来自Finsen撞击坑的溅射纹和二次坑,嫦娥四号着陆点和玉兔2号月球车的的巡视路线正位于其中(图1)。区分不同时期的地质产物对解译玉兔2号获取的探月雷达和反射率光谱数据至关重要。特别是,除了Finsen撞击坑,Alder以及其他撞击坑是否也在着落区的月海上沉积了溅射物?在最近的一期EPP期刊上,来自澳门科技大学的常伊人博士研究生对Finsen、Alder和着陆点月海平原开展精细的年代学研究,获取了目前最详细的嫦娥四号着陆区的地质框架。


图1. 嫦娥四号着陆在月球背面的冯·卡门撞击坑底部的月海上,Finsen和Alder撞击坑在其周围。

该研究基于精细的行星地质分析,对同一个研究对象,使用不同分辨率的影像数据和地形高程数据,选取了不同的撞击坑统计区,单独评价每个选区上不同直径段内的撞击坑分布特征。选区避开了地形复杂的区域,主要位于撞击坑底部和边缘的熔融池以及较平滑的连续溅射毯区域。本文开展的撞击坑统计遵从了研究团队多年积累的技术细节,规避了可能存在的技术问题。另一方面,本文使用了Robbins et al. (2018)提出的撞击坑大小-频率分布的分析方法,结合Robbins (2014)年更新的月球撞击坑年代学方程和Neukum et al. (2001)年更新的月球撞击坑产生方程估算绝对模型年龄。

本文在Finsen撞击坑的连续溅射沉积物上选择了4个相对较大的撞击坑群(图2),并在几个较小的区域上选择了7个相对较小的撞击坑群(图3)。两组坑群包含了不同的直径范围,彼此互补。另外,在Finsen坑缘的东北部存在一个直径约30公里、更年轻的撞击坑(图1a),其二次坑优先沉积在Finsen的北侧坑缘。因此,撞击坑统计的选区避开了该区域。结果显示,这11个坑群的绝对模式年龄大多集中在约~2.0 Ga,最大差异近2倍。撞击坑底部的三个区域的模式年龄分别为2.1, 3.0和3.7 Ga。


图2. 在Finsen撞击坑坑底和连续溅射沉积物上选取四个相对较大的坑群以及他们的模式年龄。引自Chang et al. (2020)。


图3. 在Finsen撞击坑坑底和连续溅射沉积物上选取七个相对较小的坑群以及他们的模式年龄。引自Chang et al. (2020)。

前人已注意到Alder在地层年龄上大于Finsen。二者距离很近,因此在选择Alder撞击坑的统计区时避开了Alder北部边缘的区域。另外,Alder撞击坑的地形退化程度较高,上覆大量明显的二次坑,使用小直径的坑群估算Alder的年龄存在较大的误差。因此,本文选区了Alder连续溅射沉积物上的三个区域和整个坑底来研究其模式年龄。四个区域的年龄各不相同,但均聚集在3.9 Ga附近,且模式年龄差异比Finsen的11个子区小得多(图4)。


图4. 在Alder撞击坑坑底和连续溅射沉积物上选取四个坑群以及他们的模式年龄。Alder区域的地质图以及橄榄石含量。

为什么同一个母坑的不同区域或直径段存在不同的模式年龄?通过精细的坑群空间分布研究,本文发现在Finsen连续溅射毯上,撞击坑的空间分布存在明显的非随机性。Finsen坑底直径大于0.8 km的撞击坑显著地聚集在东南部,且大多数大于>0.8 km的撞击坑都聚集在坑底东部。这是导致Finsen坑底南东侧小统计区得到3.7 Ga模式年龄的原因。虽然这些小撞击坑在形态上与外来小天体直接撞击产生的撞击坑相同,但其空间分布呈显著非随机,表明远二次坑的污染严重。因此,坑底得到的撞击坑密度并不是真实累积的原始坑密度。在Finsen南侧坑缘的四个熔融池得到的年龄三个为1.2 Ga,一个为2.0 Ga。通常情况下,2.0 Ga的坑群并未达到0.2 km的撞击均衡状态,因此突兀的~2.0 Ga的模式年龄可能是由于背景二次坑空间分布不均所致。总之,Finsen撞击坑的绝对模式年龄均小于2.2 Ga,这与其埃拉托迅纪的地层年龄吻合。

对于Alder撞击坑,已有的地质图表明其地层年龄为早雨海,但是Alder坑底的物质在地质图中被认为是较年轻的盆地溅射物(图4B),这和最近在Alder坑缘发现了东海盆地的二次坑吻合。Kaguya多波段成像仪绘制的全球橄榄石含量显示Alder的坑底具有较坑壁和溅射毯更高的橄榄石含量(图4C),表明Alder坑底可能受较晚的溅射物影响,因此坑底测得的模式年龄较周围溅射物的低。综合对比发现Alder的模式年龄为早雨海纪,这和前人基于地层交切关系获得的全球地质填图的结果吻合。

对比冯·卡门撞击坑底部的月海单元的绝对模式年龄,本文通过抽丝剥茧般的地质和撞击坑统计分析,发现Finsen较月海年轻,而Alder形成于月海之前。这意味着,位于嫦娥四号着陆区的玄武岩之上的碎屑物,绝大部分未受Alder直接挖掘的溅射物的影响,该发现对解释玉兔2号获取的雷达和成分数据至关重要。

论文链接:http://doi.org/10.26464/epp2021007

Chang, Y. R., Xiao, Z. Y., Wang, Y. C., Ding, C. Y., Cui, J. and Cai, Y. Z. (2021). An updated constraint on the local stratigraphy at the Chang'E-4 landing site. Earth Planet. Phys., 5(1), 1–13.

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