Nature Geoscience：月球与水星上浅陨石坑中的厚冰沉积

来源：中科院地质地球所

【前沿报道】Nature Geoscience：月球与水星上浅陨石坑中的厚冰沉积

月球与水星这类天体由于有着较小的自转轴倾角，在它们的极地低洼地区会存在永久阴影区。如果足够冷，这种永久阴影区就可以像冷阱一样将挥发分捕获并保存数十亿年，其中一种挥发分就是水冰。利用阿雷西博（Arecibo）射电望远镜和信使号（MESSENGER）探测器收集的数据表明，在水星上的这些冷阱中存在着数米厚的冰沉积物。然而，利用有着相似观测方法的月球勘测轨道器（LRO）收集的数据，最近的研究仅在月球极地冷阱中发现了一些分散的表层和浅表层冰沉积物。考虑到水星和月球的极地区域在温度环境和挥发分净沉积速率上并没有巨大的差别，这种冰沉积物含量上的差别令科学家感到费解。 

为研究这一问题，美国加州大学洛杉矶分校的Rubanenko、Venkatraman和Paige三位研究人员首先分析了2069个水星简单陨石坑的形貌，发现这些陨石坑在高纬地区明显变浅，与高纬地区的冰沉积相吻合。随后，他们又用相同的方法分析了11228个月球简单陨石坑的形貌，发现在月球南极地区，与水星相似且陨石坑在高纬地区变浅，并认为这也是由冰的沉积所导致的。他们的研究结果发表在Nature Geoscience上。 

图1  水星和月球极地区域陨石坑。a、c、e.水星北极、月球南极、月球北极地区的陨石坑地图。颜色代表其d/D。b、d、f.水星北极、月球南极、月球北极地区的陨石坑的d/D随纬度的分布。注意，d中N应为S，原文笔误。绿色点代表没有永久阴影区的陨石坑，灰色点代表有永久阴影区的陨石坑，蓝色点代表永久阴影区中可以形成冷阱的陨石坑。红点是某一给定纬度上所有陨石坑d/D的平均值（Rubanenko et al., 2019）

对水星的陨石坑，Rubanenko等人测量了每个陨石坑的深度/直径之比（d/D），并将它们按照纬度绘制在图中（图1b）。在北纬75°以上，平均d/D开始下降。至北纬86°，平均d/D 相比低纬地区大约减小了10%。如果将数据外推至北极点90°，那么平均d/D大约减小20%。我们通常认为简单陨石坑具有相似性，深度越大的陨石坑直径越大，d/D 变化很小。Rubanenko等人认为陨石坑随纬度升高而变浅（此处浅指d/D 比例减小）的这一现象是由陨石坑永久阴影区中沉积的冰所造成的，并给出了5点原因：（1）d/D 减小与冷阱形成在相同纬度；（2）小直径陨石坑变浅更多，这与冰的沉积作用相符；（3）较冷的面向极地的坡更浅；（4）平均变浅程度与估算的冰沉积厚度相符；（5）较冷经度的陨石坑更浅。基于以上的分析，水星平均冰沉积约15米，而最厚区域可达50米。 

图2  过去发现的存在冰沉积的陨石坑的d/D与冰含量关系。a.月球南极；b.月球北极（Rubanenko et al., 2019）

随后，Rubanenko等人将相同的方法应用在了月球上。在月球南极，他们发现了与水星相同的趋势——陨石坑随纬度升高而变浅（图1d）；而在月球北极，他们没有发现这一趋势（图1f）。与已发现的表面冰沉积进行的对比显示，在南极d/D与冰含量成负相关，即，冰沉积越多，陨石坑越浅；而在北极，则没有发现这一相关性（图2）。他们认为南极的负相关正是表明陨石坑变浅是由冰沉积所导致的，而北极的陨石坑中也许曾经也有冰沉积物，但是被后续的撞击破坏了。

Rubanenko等人的研究表示，月球永久阴影区应当是存在很厚的冰沉积物的，而这些存在了数十亿年的冰，可能为我们揭示太阳系中水的起源问题。当然，我们仍要注意，Rubanenko等人的研究没有将陨石坑的粘性松弛过程考虑进去。如果月球不同区域的下表面岩石存在着粘度差异，那么陨石坑的粘性松弛过程也会存在差异，也可能引起d/D的变化。

主要参考文献 

1.Rubanenko L, Venkatraman J, Paige D A. Thick ice deposits in shallowsimple craters on the Moon and Mercury[J]. Nature Geoscience, 2019, 12:597-601.