月球和火星上千米级简单撞击坑连续喷射物沉积物的地形粗糙度

陨石坑连续抛射体地形差异揭示水冰影响机制。比较月球与火星直径2-7公里简单陨石坑的抛射体地形，发现火星抛射体更平滑（基线24-96米双向平均坡度较小），主要因目标含水量/冰量较高，导致抛射物更细碎且暂时空腔受引力坍塌更强。次生陨石坑在月球显著多于火星，支持水冰促进抛射物二次撞击的假说。研究证实水冰存在是影响抛射体形态的关键因素。

欧阳汉星|肖志勇|王一辰|马一珍|罗芳璐|徐睿

行星环境与天体生物学研究实验室，中山大学大气科学学院，珠海，519082，中国

摘要

由近距撞击喷射物沉积形成的简单陨石坑在类地行星上的连续喷射物沉积物呈现出多种形态，这些形态反映了撞击前目标物质的特性。虽然一些火星简单陨石坑的喷射物沉积物呈层状，这可能是由于目标物质中含有较高比例的挥发性成分，但典型的火星简单陨石坑的连续喷射物沉积物与月球和水星等无大气天体的沉积物相似。我们发现，对于直径在2-7公里之间、由具有相似初始动能的撞击体在同一时期形成的典型月球和火星简单陨石坑而言，火星陨石坑的连续喷射物沉积物在24-96米的基线上具有较小的双向坡度。高分辨率图像的相关观测显示，月球连续喷射物沉积物较为粗糙，这主要是由于其中含有大量十米级的巨石以及同心状的山脊和沟槽，而这些特征在火星陨石坑中较为罕见。此外，火星陨石坑的深度与直径比以及最大喷射物厚度也普遍小于月球陨石坑，表明火星上的临时坑洞在形成过程中经历了更大的重力坍缩。火星陨石坑周围的次生陨石坑较少，而月球陨石坑周围则较多。这些观察结果提示，典型的火星简单陨石坑的撞击前目标物质可能含有较多的水和/或水冰，而H₂O的较低熔点和蒸气压促进了挖掘物质的进一步破碎，从而形成了更细小的喷射物和较弱的临时坑壁。这一解释也与月球 mare 地区简单陨石坑周围常见的同心状山脊和沟槽现象一致，这些现象可能是由相对较大的喷射物碎片在重新撞击时局部挖掘形成的。为了验证这一解释的合理性，我们进一步观察了月球高地原始简单陨石坑周围同心状山脊和沟槽的出现情况，发现月球高地原始简单陨石坑周围的次生陨石坑和同心状山脊及沟槽确实较为罕见。同样，我们发现火星陨石坑周围通常缺乏明显的同心状山脊和沟槽，而大多数典型的火星简单陨石坑出现在含有较少撞击前挥发性成分的年轻火山构造中，例如奥林帕斯山的顶部。因此，同心状山脊和沟槽可能是由相对较大的喷射物碎片在二次撞击过程中形成的。

引言

撞击坑形成是行星体上最重要的地质过程之一（Melosh, 1989）。撞击坑具有多种形态特征，其大小和形状主要由撞击体的动能和目标物质的性质决定（Pike, 1980; Holsapple, 1993）。在类地行星上，撞击坑会形成具有不同冲击状态和喷射速度的广泛喷射物分布（Housen and Holsapple, 2011）。根据与源陨石坑的径向距离，撞击喷射物被分为近距喷射物和远距喷射物（Melosh, 1989），它们为研究高度动态的撞击过程和撞击前目标物质的地下结构提供了宝贵的窗口。近距喷射物主要以连续喷射物沉积物的形式存在，这种沉积物在类地行星上的简单和复杂陨石坑中可以延伸到大约一个陨石坑半径的范围（Xu et al., 2024）。连续喷射物沉积物是通过从源陨石坑中挖掘出的初级喷射物的级联再撞击形成的，在此过程中，局部目标物质可能被挖掘出来并与初级喷射物混合，并由于剩余的水平动量向外流动（Oberbeck et al., 1975; Xu et al., 2024）。作为研究行星地下物质的天然探针，简单陨石坑的连续喷射物沉积物在不同行星体上呈现出不同的形态，这主要受目标物质性质的影响。例如，典型的类地行星简单陨石坑整体形态类似于倒置的宽边帽，其连续喷射物沉积物呈现出逐渐降低的高程的起伏状（Housen et al., 1983）。另一方面，火星上约3.7%的直径在1-7公里之间的简单陨石坑的连续喷射物沉积物呈层状（Robbins and Hynek, 2012a）。火星简单陨石坑的层状喷射物被认为是由于撞击前地下含有较多水冰和/或水，导致喷射物的挖掘和/或移动作用增强（Barlow and Perez, 2003; Barlow, 2005; Reiss et al., 2005; Weiss and Head, 2013; Luo et al., 2025a）。 大多数火星简单陨石坑的连续喷射物沉积物在形态上与月球和水星等无大气天体的沉积物相似（Xu et al., 2024）。然而，最近使用光学图像的观测显示，典型火星简单陨石坑的连续喷射物沉积物比相同大小的月球陨石坑的沉积物更平滑（Luo et al., 2024）。然而，这种明显的形态差异及其潜在原因尚未通过定量研究得到证实。此外，关于火星上自次生陨石坑（即由同一初级陨石坑的早期喷射物在后期形成的次生陨石坑）的研究表明，在原始火星简单陨石坑的连续喷射物沉积物中自次生陨石坑较为罕见（Luo et al., 2024; Luo et al., 2025a）。一种可能的解释是，火星复杂陨石坑中缺乏自次生陨石坑是因为层状喷射物沉积物的形成时间较长，这可能破坏了早期形成的自次生陨石坑（Luo et al., 2025a）。另一种可能是，火星简单陨石坑周围缺乏自次生陨石坑是由于火星地下水的含量变化较大，导致撞击喷射物的体积较小，从而无法形成自次生陨石坑（Luo et al., 2025a）。因此，火星简单陨石坑可能更平滑的连续喷射物沉积物与其目标物质之间的遗传联系需要进一步研究，这可能会为我们提供关于行星体上撞击坑形成机制的新知识。 在这项研究中，我们选择了月球和火星上由具有相似初始动能的撞击体在同一时期撞击形成的新鲜简单陨石坑（第2节）。我们量化并比较了这些陨石坑连续喷射物沉积物的地形粗糙度（第3节）。进一步对影响地形粗糙度的形态特征进行了高分辨率观测（第4节），并进行了相关的形态测量（第5节）。这些结果有助于理解火星的地下性质和类地行星上的撞击坑形成过程（第6节）。

数据

地形分析使用了来自SELENE-Kaguya轨道器上的地形相机（TC；Haruyama et al., 2008）和火星侦察轨道器（MRO；McEwen et al., 2007）上的背景相机（CTX；Malin et al., 2007）获取的立体图像生成的数字地形模型（DTMs）。TC的像素大小约为7.4米，平均垂直精度约为5米（Haruyama et al., 2012; Barker et al., 2016）。CTX的DTMs数据来自MarsSI平台。

火星简单陨石坑更平滑的连续喷射物沉积物

我们发现，月球和火星陨石坑的坑缘边缘具有相对较大的双向坡度中值，而其连续喷射物沉积物的外部部分的MBS值则小得多。在24-96米的基线上（图4和S5-S8），选定的月球简单陨石坑的连续喷射物沉积物显示出比火星陨石坑更大的平均MBS值（图4b和S5-S8）。例如，在24米的基线上，火星陨石坑的MBS值范围为0到15°

影响连续喷射物沉积物地形粗糙度的形态特征

我们观察到，月球和火星陨石坑连续喷射物沉积物上的粗糙地形主要是由十米级巨石和线性起伏造成的（图6），特别是同心状的山脊和沟槽（图S1-S4）。这些被称为陨石坑同心状山脊（CCRs），线性山脊和沟槽既出现在连续喷射物沉积物中，也出现在月球简单陨石坑的较远径向距离处（图S9），并且它们围绕坑缘边缘呈环状分布

月球和火星简单陨石坑之间的其他形态差异

月球简单陨石坑周围的次生陨石坑（即次级陨石坑）较为丰富，而火星简单陨石坑周围则较少（图7）。月球次生陨石坑通常以不规则形状的凹陷群或链状出现，围绕不对称的坑缘边缘形成人字形排列的喷射物图案（图7c）。相比之下，火星次生陨石坑相对孤立，坑缘边缘的形态更为圆形（图7d；Schultz and

火星简单陨石坑挖掘出的喷射物颗粒较小

最近对月球和类地行星上撞击坑周围最近的次生陨石坑的测绘显示，喷射速度较低的固体喷射物足以形成可以通过HiRISE图像分辨的次生陨石坑（Xu et al., 2024）。然而，由于连续喷射物沉积物的径向范围超过1公里，所研究的火星简单陨石坑在连续喷射物沉积物之外缺乏典型的次生陨石坑（图7和

结论

利用高分辨率图像和地形数据，我们比较了由具有相似初始动能的撞击体在同一时期撞击形成的月球和火星简单陨石坑的连续喷射物沉积物的地形粗糙度。我们发现，由于缺乏十米级的巨石和同心状的山脊及沟槽，火星喷射物沉积物在24-96米的基线上表现出系统较低的双向坡度中值。

CRediT作者贡献声明

欧阳汉星：撰写——原始草稿，可视化，方法论，正式分析，数据管理。 肖志勇：撰写——原始草稿，监督，资金获取，正式分析，概念构思。 王一辰：撰写——原始草稿，资金获取，正式分析。 马一珍：正式分析。 罗芳璐：正式分析。 徐睿：正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

两位审稿人的评论和建议有助于改进本手稿。作者得到了国家自然科学基金（42241108、423B2205、42273040）、博士后奖学金计划（GZB20240881）以及中国博士后科学基金（2024M763739）的支持。

数据可用性

本研究中使用的数据均为公共领域资源，其ID和可用地址列在补充表S1中。