近距离的月球：月表环形坑的成因分类

2019-01-03 10:33:55来源：中科院之声

月球，自古以来就是承载人类美好愿望和情感寄托的星球。月亮激起了人们的无限遐想，也萌生出各种各样的神话传说、宗教信仰、哲学思想、文学艺术和风俗传统。中国古代的阴历，就是根据月亮的阴晴圆缺制定的。对中国人来说，月亮象征着温馨、和谐与安宁，也代表着团圆、美满与幸福。

月球是美丽的，也是神秘的，随着人类科学技术的发展，我们已经不再局限于肉眼或望远镜远望。自上世纪60年代以来人类开展了一系列月球探测，慢慢揭开了月球的神秘面纱，越来越多的月球影像数据，让人们看到了月球的真容。

天文学家将月表形貌分为反照率特征、环形坑、平原、海角、坑链、峭壁、山脉、山脊、洋、月沟、月谷、月海、月湖、月湾、月沼、月溪、着陆点名称和卫星坑等18种地形，其中环形坑是月球上最典型的地貌单元，也是月球表面最显著的特征。

在国际天文联合会(IAU)公布的9139个月球正式地名中，有1619个环形坑、7115个卫星坑、20个坑链，地理特征中与坑相关的占95.6%，这也是为什么近距离观看月球影像图时，映入眼帘的是大大小小、密密麻麻的环形坑的原因。

为什么月球上有如此多的环形坑？

地球上有着厚厚的大气层，有占表面积71%的海洋，有板块构造运动，有流水剥蚀、搬运和沉积作用，有冰川作用，所以地球上保存下来的环形坑仅有190个左右。

相比地球，月球上没有大气和液态水，月球早期的岩浆活动、火山爆发、外来天体的撞击、太阳风和宇宙射线的辐射等，都会对月表形貌塑造造成影响，缺少了大气层和液态水的保护，在这些“外力”的作用下，月球上就充满了大大小小“千疮百孔”的环形坑。而月表这些环形坑的大小和分布记载了数十亿年前被彗星和小行星碰撞的历史记录、以及月球的演化历史，对月表环形坑的研究可以提供有关地球上生命起源和进化的线索。

月表环形坑的成因分类

那么，月球上密密麻麻的环形坑是如何形成的呢?在众多的因素中，岩浆活动、火山爆发和外来天体的撞击是月表环形坑形成的主要因素。

因此，环形坑按照成因主要分为三类：

第一类是侵入岩成因的环形坑。即岩浆上侵而未喷出地表，然后冷凝收缩，在地面上表现为巨大的圆形凹坑，坡度较缓，深度不大，即冷缩环;在遥感影像上往往由于色调与周围差异较大而表现为实心圆状。

第二类是火山成因的环形坑，也称为火山坑。它是火山喷发后留下的火山口，多呈群体在地表上出现，并且其分布受断裂带的控制，常呈共轭线状展布;在遥感影像上表现为环形结构体，整体上看呈锥状，中间是负地形。

第三类是由小天体撞击形成的环形坑，也称为撞击坑。这些环形坑是由小行星和流星体高速撞击月表，强烈挖掘月表物质而形成的，其形态与被撞击点的月壤厚度、岩性及环形坑形成年代存在直接联系。环形坑中间为撞击熔融带，向外逐渐过渡为撞击角砾岩，具有明显的撞击变质特征。新形成的环形坑具有前面两种环形构造所不具有的辐射纹，具有外缓内陡的环形或弧形周壁。

月表环形坑的形态及分类

月球上存在的环形坑形态各异，其基本的趋势就是小型的环形坑通常表现为形态相对完整的碗型，而随着直径的增长，环形坑开始出现不同程度的退化和演变而具有极为复杂的形态。

根据其形态特征和规模大小，通常可以分为简单环形坑、复杂环形坑和撞击盆地等三类。其中，简单环形坑分为碗型、链形环形坑和次生环形坑群，复杂环形坑分为中央隆起型、多环、充填型和辐射纹环形坑。

第一类简单环形坑

是一种最简单的环形坑，坑底平坦，整体形状呈碗状，坑缘略突出地面，直径通常小于15km。

（1）碗型环形坑

碗型环形坑边缘相对较为光滑，具有稳定的墙状内壁(没有阶梯状内壁地貌);盆底通常较小且平坦，没有中央突起。

史密斯坑（CtaterPiazzi Smyth）中心地理坐标：41.9°N，3.2°W，直径：13km 左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

史密斯坑(CtaterPiazzi Smyth)中心地理坐标：41.9°N，3.2°W，直径：13km左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

（2）次生环形坑群和链形环形坑

当小天体撞击月表时，在形成原生环形坑的同时从坑底向外抛射大量物质，这些物质通常是大块岩石或松散粘连的岩石块、月壤胶结物等，当这些物质重新溅落在月球表面时会形成一系列次生环形坑。

次生环形坑散布于原生环形坑周围，具有不同的形状和大小，它们往往相对紧凑地集中在一定区域内，或排列成行，或呈放射状分布。对于在原生环形坑周围以链条形紧密排列的次生环形坑，又称之为链形环形坑。

戴维坑链（CraterCatena Davy）中心地理坐标：11.0°S，7.0°W，长度：50km

戴维坑链(CraterCatena Davy)中心地理坐标：11.0°S，7.0°W，长度：50km

萨姆纳坑链（CraterCatena Sumner）中心地理坐标：37.3°N，112.3°E，长度：247km左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

萨姆纳坑链(CraterCatena Sumner)中心地理坐标：37.3°N，112.3°E，长度：247km左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

第二类复杂环形坑

复杂环形坑以坑底具有明显隆起的中央峰或坑壁呈阶梯状为特征，直径通常在15km到100km之间。

（1）中央隆起型环形坑

月球上直径大于35公里的环形坑一般都发育有中央峰或中央隆起。如果撞击能量足够大，撞击体之下的岩石在强烈的冲压下会发生强力反弹，在环形坑的中央形成了一个明显的中央隆起穹隆，或一组中央隆起峰。

莱曼坑（CraterLyman）中心地理坐标：64.85°S，163.6°E，直径：84km上图为影像图，中图为三维影像图，下图为彩色晕渲地形图

莱曼坑(CraterLyman)中心地理坐标：64.85°S，163.6°E，直径：84km上图为影像图，中图为三维影像图，下图为彩色晕渲地形图

莱曼坑位于月球背面的南半球，其边缘并没有明显的侵蚀迹象，其内部特征也没有被撞击所破坏，底部相对平坦，在中心处有一个明显的中央峰，同时还分布了少数矮小的山脊和微小的圆形结构。

（2）多环环形坑

由于遭受撞击强度较大，刚形成时坑缘的内壁大多比较陡峭，随后在重力作用下，坑缘内壁物质将坍塌落向底部，形成阶梯状地貌特征，并可能延伸至底部。岩壁坍塌物质覆盖在环形坑底部，使其底部表现为相对平浅的特征，常伴有较多圆丘状的隆起。

在后期月球地质构造活动及火山活动的影响下，环形坑中央的隆起圆丘逐渐退化，环形坑周缘地带的阶梯状岩壁也发育得更加充分，从而形成呈近似同心圆排列的多环结构，此类环形坑称之为多环环形坑。

哥白尼坑（CraterCopemicus）中心地理坐标：9.7°N，20.1°W，直径：93km左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

哥白尼坑(CraterCopemicus)中心地理坐标：9.7°N，20.1°W，直径：93km左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

哥白尼坑位于风暴洋的东部，使用双筒望远镜就可以看到此环形坑，它的中央峰由三个互相独立的山峰组成，高度约为1.2公里。

（3）充填型环形坑

环形坑在形成后，其内部逐渐被后期撞击所产生的喷射物所覆盖，或由于火山活动产生的岩浆逐渐流入环形坑内部，覆盖了环形坑内部原有的月貌特征，形成相对平浅的环形坑底部，但坑的基本形貌特征仍然得到了完好的保持。

沃根亭坑（CraterWargentin）左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

沃根亭坑(CraterWargentin)左图为影像图，右图为彩色晕渲地形图

沃根亭坑中心地理坐标：49.6°S，60.2°W，直径：84km，位于月球的西南方。坑的内部完全被火山熔岩所填充，直至与周围隆起的边缘相齐，因此与周围的地形相比，沃根亭表现为一个凸起的高地。

（4）辐射纹环形坑

小天体撞击月表时，会溅射出大量的碎屑状物质，呈放射性分散沉积在环形坑周围数千公里范围内，由于这些碎屑物质的反射率较高，看起来比较明亮，使得这些环形坑周围表现出明显的辐射纹特征，称为辐射纹环形坑。但随着后期撞击溅射物的遮盖和风化侵蚀作用，溅射物会与周围其他物质逐渐混合，颜色也逐渐暗淡而难以分辨。因此，具有可明显分辨辐射纹的环形坑多是月球上比较年轻的环形坑。

伯朱斯坑（CraterByrgius）中心地理坐标：24.7°S，65.3°W，直径：87km 上图为影像图，下图为三维影像图

伯朱斯坑(CraterByrgius)中心地理坐标：24.7°S，65.3°W，直径：87km上图为影像图，下图为三维影像图

第三类撞击盆地

撞击盆地坑底平坦且部分被熔岩填充，坑壁、坑底有二次撞击坑散布，边界不清晰，直径一般大于100km。撞击盆地通常都具有非常复杂的结构，其中又以具有同心圆特征的多环盆地居多。有些撞击盆地的圆环可多达五至八个，盆地内部大多会被低反照率黑色玄武质熔岩所填充，同时还可能具有非常发育断层以及其他形式的变形。

东海盆地（Mare Orientale）三维影像图中心地理坐标为：19.4°S，92.8°W

东海盆地(Mare Orientale)三维影像图中心地理坐标为：19.4°S，92.8°W

东海盆地是月球背面月海中直径达1000公里的巨大环形构造，具有三层同心环似的结构，好像是一个深入月球内部的巨大洞穴。

嫦娥带你游览月球上的三大名坑

我国发射的嫦娥一号和嫦娥二号探测器成功实施了环月探测，嫦娥三号探测器成功实现了月球表面软着陆和月表巡视探测。这些探测器的获取数据成为我们研究月球和了解月球的基础。我们利用嫦娥二号获取的数据制作了全月7米分辨率的影像和地形数据，是目前覆盖最全、清晰度最高的月球形貌数据，对于我们认识月表形貌大有帮助。

下面借助嫦娥二号的高分辨率全月影像数据，我们带你去游览月球上的三座名坑。

第一站月球之脐——第谷坑

第谷坑是月球正面南半球最显著的环形坑，它以丹麦天文学家第谷·布拉赫的名字命名。第谷坑是复杂环形坑，既有明显的中央峰，也有巨大的辐射纹。

第谷坑由小天体撞击月表产生，撞击过程中抛洒出的物质形成了以其为中心的向外辐射状的明亮条纹，最长的亮纹达1500公里，相当于北京到重庆的直线距离!因为如此显著的特征，第谷坑最早被天文学家称为月球之脐，月球肚脐的意思。

第谷坑月面位置中心地理坐标为：南纬43.3°，西经11.2°

第谷坑直径约89公里，大小相当于10个北京五环内的面积。近距离观看第谷坑，其内侧坑壁呈阶梯状结构，坑底总体相对平坦，耸立着1.6公里高的中央峰，其高度是北京香山高度的3倍。

前文中我们说到过，地球上也有环形坑，其中巴林杰坑位于美国亚利桑那州一片平坦的高原上，直径约1240米，深度达180米，面积相当于169个标准足球场地，是目前世界上保护得最好和最早被人类认证的环形坑。

地球上的巴林杰坑（Barringer Meteor Crater）

地球上的巴林杰坑(Barringer Meteor Crater)

但当地球上的巴林杰坑遇上月球上比自己大4810倍的第谷坑时，只能感叹小巫见大巫，与巴林杰坑比起来第谷坑是何等的壮观。

月球上的第谷坑与地球上的巴杰林坑对比，图中闪动的红点代表巴林杰坑的大小

第二站月球上最亮的环形坑—阿里斯塔克斯坑

阿里斯塔克斯坑是月球上最亮的环形坑，直径约40公里，深度达2公里，是复杂环形坑，具有明显的辐射纹。

阿里斯塔克斯坑很可能形成于一次小天体的斜向撞击，抛射的物质撒向撞击点的另一侧，因此一侧分布着明亮的条纹，另一侧没有。阿里斯塔克斯坑之所以如此明亮夺目，是因为它形成的时间相对较晚，太空风化还没有足够时间来淡化其撞击溅射物。

阿里斯塔克斯坑月面位置中心地理坐标为：北纬23.73°，西经47.49°

阿里斯塔克斯坑远景图

在阿里斯塔克斯坑东侧像弯曲河流的月貌是著名的施勒特尔月谷。施勒特尔月谷有一个明显的椭圆形头部，由于形似蛇头，被天文学家称作“眼镜蛇头”。施勒特尔月谷长约160公里，宽约11公里，深度达500米。地球上的谷地多是由于水、风等自然因素侵蚀、风化作用形成。而月球上既没有水也没有风，月球上的谷地是如何形成的呢?

天文学家研究认为，喷出月表的岩浆流过月面，侵蚀月表，从而形成弯弯曲曲、类似河流的月貌，相对较窄的称为“月溪”，相对较宽的称为“月谷”。施勒特尔月谷的椭圆形头部被天文学家们认为是岩浆喷出的源头。

施勒特尔月谷影像图