10月19日，北京大学地球与空间科学学院法文哲教授课题组在AGU Advances发表了题为“Degradation Rate and Lifetime of Small Impact Craters on the Moon”的研究论文。该研究结合高分辨率月球影像、地形数据及撞击坑演化模拟，约束了月表小撞击坑的退化速率与存活时间，对撞击坑定年、月表物质迁移、撞击坑均衡及极区微冷阱水冰探测具有重要意义，也是课题组继2025年发现月表小撞击坑产率升高后取得的又一项重要进展。
撞击坑是月球表面最广泛的地貌构造，记录了月球的撞击历史。新形成的撞击坑通常具有清晰的坑缘、陡峭的坑壁和较大的坑深。受微陨石持续轰击等过程影响，撞击坑的深度、坑缘高度和坑壁坡度逐渐减小，这一过程称为撞击坑退化。退化速率决定了撞击坑的存活时间，是撞击坑定年、撞击通量估算及撞击坑数量均衡研究的基础，对理解月表物质迁移、月壤演化及极区冷阱稳定性也具有重要意义。撞击坑的初始形貌与退化过程具有显著的尺度依赖性，小撞击坑通常更浅、退化更快。然而，现有退化速率的观测约束主要集中于月海地区的千米级撞击坑，百米及更小尺度撞击坑的退化速率仍主要依赖理论外推，不同地质单元之间的退化差异及其控制机制也尚不明确，限制了对月球撞击坑退化过程的系统认识。
当前月表撞击坑的大小、数量与形貌特征，是数十亿年来撞击坑不断形成、退化与消亡共同作用的结果。给定地质单元年龄和撞击坑产生速率，通过模拟不同退化速率下大量撞击坑的演化过程，能够得到一系列撞击坑大小-频率分布与深度直径比分布。将模拟与观测结果相比较，即可获得退化速率的最优估计，进而估算撞击坑的存活时间。据此，整体研究采用遥感观测、演化模拟与模型优化相结合的技术路线（图1）。
图1 月球小撞击坑退化速率与存活时间的研究技术路线
理想的研究区域需要有样品同位素定年结果、高分辨率地形数据（NAC DTM）覆盖、相对均一的地质背景与较少的二次撞击坑污染。为此，研究团队选取了我国嫦娥5号、6号，美国Apollo11、12、14、15、16和苏联Luna16、20、24共10个着陆区（图2），涵盖了月球正面与背面、月海与高地、赤道至中纬度的不同地质单元。利用撞击坑自动识别与参数提取工具，获得了56,229个直径50—500m撞击坑的形貌数据，并结合撞击坑产率、年代学及初始形貌模型，模拟了连续地形扩散与撞击坑叠加作用下的撞击坑形成和退化过程。在此基础上，综合考虑撞击坑数量分布与统计不确定性，构建了定量刻画观测与模拟结果差异的目标函数，获得了10个区域小撞击坑退化速率的最优估计。
图2 研究区域分布：红色与蓝色散点分别表示位于月海与高地的10个着陆区，彩色区域表示各着陆区所属地质单元，黑色线条表示月海与高地的边界
大量观测数据与数值模拟结果表明，随着撞击坑直径从50m增大至500m，月海的平均地形扩散率从0.62m2/Myr增加至2.33m2/Myr，而高地则从2.27m2/Myr增加至4.54m2/Myr。高地地区小撞击坑的退化速率显著高于月海区域（尤其在较小直径范围内），二者的相对差异随着直径的增加逐渐减小。直径50m的撞击坑在月海和高地的存活时间分别约为8000万–1.6亿年和2000–4000万年，而直径500m的撞击坑可分别存活约>25亿年和13–28亿年。进一步分析发现，退化速率与米级地形坡度的相关性最强，与百米级地形粗糙度存在一定相关性，而与石块丰度、浅层月壤密度结构及纬度无显著相关性，但尚不能排除热疲劳等过程的影响。
为直观展示撞击坑群体的长期演化过程，研究团队以月海地区为例，通过数值模拟制作了跨度30亿年的撞击坑形成、退化与消亡过程的动态演示，揭示了小撞击坑的数量均衡机制。随着撞击坑持续退化并消失，特定直径范围内撞击坑的数量密度趋于稳定，进入动态均衡状态。月球小撞击坑的数量均衡主要受持续地形扩散过程控制，后续撞击叠加破坏的贡献相对较小。此外，基于定量约束的小撞击坑退化速率，研究团队在撞击坑直径—深径比空间中构建了一系列等时线。通过测量撞击坑直径和深度，并确定其在等时线图中的位置，可快速估算大量小撞击坑的模型年龄，为重建局部月壤演化历史、研究月壤层序结构等提供新的定量依据。
月海区域大量撞击坑的形成、退化与消亡过程，圆的大小与颜色分别表示撞击坑的直径与退化状态
该研究对理解月球极区冷阱演化与水冰赋存也具有重要意义。极区小撞击坑内部的永久阴影区可形成有利于水冰保存的微冷阱，随着撞击坑不断退化，微冷阱可能逐渐缩小甚至消失，影响水冰的长期稳定性。研究团队利用高地撞击坑退化速率估算发现，亚百米尺度撞击坑形成的微冷阱寿命可能不足1亿年，其中若存在水冰，则可能指示相对近期的水冰补给或迁移过程。相比之下，数百米及更大尺度撞击坑形成的冷阱可持续存在超过10亿年，更有利于水冰的长期积累。这一发现表明，月球极区水冰的赋存与分布不仅受到轨道几何、热环境及撞击历史的影响，地形演化也是制约冷阱稳定性与水冰长期积累的重要因素。该结果也为嫦娥7号等未来月球极区水冰探测的目标区域选择提供了新的科学依据。
地球与空间科学学院博士生张洺玮为论文第一作者，法文哲为通讯作者，博士生童佳琪、刘洋参与了相关研究。该研究成果曾在2026年月球与行星科学大会上以展板形式展示，张洺玮凭借该研究荣获美国地质学会Dwornik荣誉提名奖，成为该奖项设立以来首位获奖的中国高校学生。本研究受到了国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）与青年科学基金项目（A类）的资助。
以上内容转自北京大学新闻网
