肖智勇课题组在天体撞击研究方面取得进展

    在万有引力的作用下，天体物质间的高速碰撞时刻发生。撞击坑是地外天体表面最常见的地貌。在撞击坑的形成过程中，靶体和撞击体的物质受到不同程度的冲击，以多物相的方式溅射。其中，一些溅射物的飞行距离超过其母坑的五个半径以上，甚至达到全球分布。此类溅射物质被称为远溅射物。天体表面最耀眼的远溅射物是溅射纹，其中含有大量溅射物着陆时挖掘形成的撞击坑，被称为二次坑。一般认为远溅射物相对于母坑呈径向分布，然而，在快速旋转的天体上，溅射物飞行轨迹受天体自转的影响（即科里奥利力效应）会发生显著偏转，造成非径向分布的特点。此类溅射物在水星、月球、火星均有发现，形成这些溅射纹的物质是什么，溅射方位为何是非径向的？这是前人未曾研究的问题。

图1.水星表面的双曲线状溅射纹(箭头所示)，数据来自水手10号

    水星表面存在一条形态十分特殊的回旋镖式溅射纹（图1）。水手10号飞船在1973-1974年的水星飞掠过程中发现了这条溅射纹，立即引起了科学家的好奇和关注。这条溅射纹是否是同一个撞击坑形成的？前人研究猜测，发现在水星东半球、近赤道区域的一次年轻的撞击事件，可能形成了这条溅射纹。但这个假设成立的前提是水星在地质历史的近期处于“飞速”自转的状态。这种可能性很有意思，因为目前对水星达到潮汐锁定状态的时间、水星岩石圈层结构形成的时间等热点研究问题还存在争议，而天体自转速度与之紧密相关。但此弯曲溅射纹的产生机制一直缺乏有效约束。

图2.信使号视角下Hokusai撞击坑的双曲线状溅射纹

    近期，行星环境与宜居性研究实验室肖智勇教授课题组在Nature Communications上发表题为“Untrackable distal ejecta on planetary surfaces”的学术论文，对该弯曲溅射纹及类似远溅射物做出了系统性研究。该论文利用水星信使号飞船返回的高分辨率全球影像(665m/pixel)、局部影像(部分高达<10m/pixel)，将反照率、斜率、成熟度等光谱分析与地质分析相结合，证实此弯曲溅射纹是由北半球、高纬度地区的柯伊伯纪晚期(≪300Myr)的一次大撞击事件形成的(同时形成了Hokusai撞击坑；图2)，属于Hokusai全球溅射纹系统的一部分。

图3.Hokusai撞击坑溅射物落点匹配模拟

    进一步地，利用课题组开发的一套优化的溅射物落点预测模型，以弯曲溅射纹内远二次坑形态反映的飞行、着陆时的飞行状态为约束条件，对溅射物进行综合落点模拟，本研究表明弯曲溅射纹走向上的急剧偏转不是由于更快的旋转速度、溅射位置的改变、母坑的倾斜撞击，而是由于散裂碎片形成时的溅射角突变(图3)。基于撞击机理的分析指出：Hokusai形成时的撞击体和靶体存在广泛的非均质性，形成不同的冲击阻抗，进而影响冲击波和稀疏波的传播、相互作用方式，最终引发溅射角的局部变化。Hokusai撞击坑所在的北部火山平原的复杂地形(如皱脊、先存撞击坑的存在)为该变化提供了可能性(图4)。

图4.撞击散裂过程由于溅射角激变形成非径向远溅射物

    此类非径向分布的远溅射物在行星地质解译方面有重要意义。例如，灶神星部分大型凹槽系统可能是由Rheasilvia撞击盆地形成时的远溅射物降落产生的二次坑串(图5)，而不是目前广泛认为的构造形成的凹陷。该工作对广泛使用的斯坦诺定律(Steno’s Law)提出了新的警示：地质单元的叠覆关系是判定地外天体表面物质相对新老关系的基础，也是构建全球和区域地层体系的基本定律。该研究发现突变的溅射角度可能导致同一个撞击坑的溅射物在不同的时间点、从不同方向在同一地点沉积，形成伪交切关系。

图5.灶神星部分凹槽系统(绿色箭头)可能是远溅射物降落产生的二次坑串

    该研究对嫦娥5号月壤中非本地物质的溯源工作也具有重要的意义。在嫦娥五号着陆区存在大量不同走向的溅射纹，前人曾根据溅射物径向分布的规律排除了Aristarchus撞击坑的部分远溅射物的来源。然而，根据本文突出强调的二次坑的三维地形与溅射物着陆的方位关联，本研究发现很多非径向分布的二次坑串实际上形成于Aristarchus的远溅射物(图6)，支持最近基于嫦娥五号样品分析的结果。

图6.嫦娥5号任务区返回的月海风化物质可能起源于Aristarchus撞击坑

    研究结果表明非径向分布的远溅射物是天体表面撞击过程的固有产物，是使用地质单元叠覆关系估算相对年龄、使用撞击坑空间密度统计估算模式年龄的新难点。