撞击坑形成机理及数值模拟

2015/12/22 |编辑|

     本文以哥白尼撞击坑为例,研究分析了月球撞击坑中央峰橄榄岩的来源,结论是月球撞击坑中央峰橄榄岩可能来源于陨石残留物。传统观点多认为哥白尼撞击坑中央峰的橄榄岩来源于月壳深处甚至月幔,这些深处的物质通过陨石撞击带到月球表面,因此许多研究试图通过分析哥白尼中央峰的物质特点来推测月壳深处或月幔的物质成分。本文以超高速撞击的相关物理理论为基础,通过对哥白尼撞击坑形成过程的数值模拟,发现当陨石在月表的撞击速度低于12km/s时,大部分陨石在熔融后可以残留下来,而且在撞击坑的后期改造过程中主要积聚在中央峰(下图),这不仅以定量化的方式分析了哥白尼撞击坑中央峰物质的可能来源,也为寻找可能的陨石残留物提供了关键信息。

 

低速撞击形成的哥白尼撞击坑;该图表示直径为7 km的橄榄岩小行星以10 km/s的撞击速度模拟得到的哥白尼撞击坑;a表示撞击后60 s,陨击体的物质(红色)熔融后覆盖在瞬时撞击坑表面上;b表示撞击后700 s,大部分的陨击体(红色)熔融积聚在中央峰。


     在撞击过程的模拟中,撞击速度是一个关键因素,因此我们还对月表的撞击速度进行了详细的研究并根据小行星轨道演化理论开展了数值模拟,该模拟将大行星对近地小行星的共振与摄动作为后者轨道演化的主要作用力,从而计算它们在月表的撞击速度;我们的模拟结果中大约有14331个近地小行星能够撞击到月表,而且大约25.1%的撞击速度低于12 km/s,因此有相当一部分小行星的撞击速度是能够满足我们的模拟条件的(下图)。另外,我们对近地小行星撞击速度的模拟与根据近地小行星动力学理论得到的结果非常相近,这也验证了我们研究中对月表撞击速度的可靠性。

月球表面的撞击速度分布图。阴影区表示低于12 km/s的撞击速度部分,模拟结果表明月表平均撞击速度为17.4 km/s。

 

附相关文章:


Yue, Z., B. C. Johnson, D. A. Minton, H. J. Melosh, K. Di, W. Hu and Y. Liu, 2013. Projectile remnants in central peaks of lunar impact craters, Nature Geoscience,6(6):435-437.