月球撞擊坑是研究太陽系撞擊歷史的天然實驗室。撞擊產(chǎn)生的物理與化學作用，例如破壞原生月殼與物性分層、撞擊后月幔松弛效應(yīng)、撞擊熔融與化學分異等，是了解撞擊時間與撞擊體尺寸、月球內(nèi)部圈層多尺度結(jié)構(gòu)的重要對象 (Chen et al., 2024; Wan et al., 2025; Xu et al., 2024)。然而，由于月海巖漿活動(Mare flooding)與后期撞擊活動的覆蓋作用等，古老表面撞擊坑統(tǒng)計仍是個開放性問題，進而制約了月球早期撞擊通量模型的建立。由于隱伏撞擊坑內(nèi)部的高密度火山玄武巖填充物和周圍低密度的斜長質(zhì)月殼之間存在密度差，并在空間上呈現(xiàn)類“牛眼”形狀，因此可以通過重力異常與重力梯度分析進行有效識別。美國GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory)任務(wù)獲取的月球高精度重力場模型，為進一步識別和恢復隱伏撞擊坑提供了數(shù)據(jù)優(yōu)勢。
中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所地球-行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)與過程學科組研究團隊基于最近的GRAIL高分辨率月球重力模型，聯(lián)合重力異常與重力梯度正演建模，對月球隱伏撞擊坑進行了識別(圖1)，并對古老的大型撞擊盆地(直徑大于200 km的撞擊坑稱為撞擊盆地)進行了撞擊坑尺寸-頻率測量(圖2)，最后結(jié)合盆地年齡和盆地內(nèi)部撞擊坑密度，建立了月球早期撞擊通量模型(圖3)。
隱伏撞擊坑的識別主要分為三步：(1) 隱伏撞擊坑的重力正演模擬，確定圓形重力正異常與圓形重力負異常的尺寸與隱伏撞擊坑真實尺寸之間的關(guān)系。圓形重力正異常和負異常分別假設(shè)隱伏撞擊坑形成于斜長質(zhì)和玄武質(zhì)月殼表面；(2) 對GRAIL重力模型進行布格改正與梯度計算(垂直梯度與梯度第三不變量)，凸顯隱伏撞擊坑的重力信號；(3) 將第1步建立的尺寸關(guān)系應(yīng)用于第2步，對月海內(nèi)部的圓形重力信號進行全面篩查。經(jīng)過上述步驟，研究人員共識別了超過400個直徑大于20 km的隱伏撞擊坑，包括前人識別的126個 (圖1)。通過匯編建立了一個新的隱伏撞擊坑數(shù)據(jù)庫，并對這一新數(shù)據(jù)庫的撞擊坑數(shù)量完整性進行了評估，結(jié)果表明直徑大于60 km的隱伏撞擊坑得到了完全恢復(圖2)。
基于隱伏撞擊坑目錄與可見撞擊坑目錄，研究人員對月球主要的古老盆地進行了撞擊坑密度統(tǒng)計。大尺寸的撞擊坑密度的統(tǒng)計誤差較大，小尺寸的撞擊坑易受二次撞擊的影響，而研究發(fā)現(xiàn)二次撞擊坑的尺寸一般不超過20 km，因此選擇統(tǒng)計盆地的N(20)值(每106?km2直徑大于20 km的撞擊坑的密度)，方法是利用完整的、直徑大于60 km的撞擊坑尺寸-頻率分布，進行撞擊坑產(chǎn)率函數(shù)擬合，根據(jù)擬合得到的函數(shù)估計N(20)。
圖1 月海區(qū)域布格重力異常、利用布格重力垂直梯度和梯度第三不變量進行隱伏撞擊坑識別的結(jié)果(左)，隱伏撞擊坑的兩個識別案例(右)。左圖中，前人識別的隱伏撞擊坑以粗線綠圓和粗線黑圓表示，本研究的識別結(jié)果以細線黑圓表示。右圖中的兩個案例分別為圓形重力正異常和圓形重力負異常的識別結(jié)果，第一列為LROC(Lunar Reconnaissance Orbiter Camera)拍攝的mosaic圖像，第二列為布格重力梯度，第三列為梯度的方位平均剖面(紅色虛線為確定的隱伏撞擊坑真實尺寸)
通過收集已發(fā)表的大型撞擊盆地同位素定年的研究結(jié)果，研究人員建立了45~35億年期間的N(20)—表面年齡關(guān)系曲線，稱為撞擊通量模型(圖3)。利用撞擊坑產(chǎn)率函數(shù)，可以將所有已發(fā)表的撞擊通量模型換算至N(20)，對比發(fā)現(xiàn)最新的N(20)估計結(jié)果與前人的模型之間差距較大，主要差異在于相對于年輕的表面，比Imbrium盆地更老的盆地或地體具有更高的撞擊坑密度。這種差異無法用衰減模型解釋，因此使用大災(zāi)變模型進行擬合，揭示了月球在Imbrium撞擊事件前后經(jīng)歷了一次撞擊高峰期。
圖2 風暴洋區(qū)域(Procellarum KREEP Terrane, PKT)撞擊坑尺寸-頻率分布統(tǒng)計結(jié)果(左)，高地區(qū)域(Feldspathic Highlands Terrane, FHT)和月海區(qū)域撞擊坑尺寸-頻率分布增量比率(右)。圖中藍色和紅色曲線分別代表包含和不包含隱伏撞擊坑數(shù)據(jù)目錄的統(tǒng)計結(jié)果
圖3 月球早期撞擊通量模型，紅點為本研究統(tǒng)計的古老大型撞擊盆地的N(20)值，黑點為前人統(tǒng)計的年輕的月海玄武巖單元的N(20)值。圖中同時給出了已發(fā)表的撞擊通量模型，插圖為撞擊通量變化率
此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)最新的撞擊坑統(tǒng)計結(jié)果存在2個異常點：Imbrium盆地和Descartes Formation撞擊坑密度較高，這可能歸因于盆地年齡的不確定性，或盆地內(nèi)部的其他隱伏構(gòu)造(巖漿侵入體等)干擾了隱伏撞擊坑的識別結(jié)果。研究人員對所有可能的影響因素進行了分析，認為盡管上述因素可能影響對撞擊通量模型的準確描述，但不會影響撞擊坑密度的一階特征，即以Imbrium盆地為分界點，較老的表面的撞擊坑密度遠大于較年輕的表面的撞擊坑密度。
該研究不僅完善了月球撞擊坑數(shù)據(jù)庫，并建立了更加精確的月球早期撞擊通量模型，還可為如火星、水星、冰衛(wèi)星等其他天體的撞擊歷史提供重要的重力學分析方法。然而，受地球物理學反演多解性的影響，本研究仍需要結(jié)合其他學科數(shù)據(jù)進行完善工作。
研究相關(guān)成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊JGR-Planets（Jiang Y, Xu C Y, Yue, Z Y, Chen L. Lunar Early Impact Flux Revealed by Mare Buried Impact Craters[J].?Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130: e2025JE009121. DOI:?10.1029/2025JE009121.）。研究受國家自然科學基金項目(批準號: 42388101, 42274114, 62227901, 41704080)、國家重點研發(fā)計劃項目(批準號: 2022YFF0503202)資助。
姜衍（博士后）