图1. 嫦娥五号采样区撞击坑统计结果
地质事件的年代学分析是地学领域至关重要的研究手段之一。在地球上，其主要依赖于对样品的放射性同位素测量及定年分析。对于月球、火星等地外天体，由于样品采集难度和耗费都非常高，其主要依赖于撞击坑统计定年分析。撞击坑统计定年分析的基本原理主要有两点：（1）地外天体表面上的撞击坑是随时间逐渐累计的，年龄越老的表面，其上覆撞击数量越多；（2）通过地外天体采样返回探测，将采样区上覆撞击坑密度和返回样品的放射性同位素年龄联系，建立了两者之间的定量数值关系，即“撞击坑年代学函数”。当前，月球是唯一一个进行了多次采样返回探测的地外天体，正是上世纪六七十年代美国和前苏联开展的9次月球采样返回探测任务，标定了月球撞击坑年代学函数。然后，通过理论插值计算，月球年代学函数又被应用水星、金星、火星这些内太阳系天体。所以，月球是内太阳系天体表面定年研究的基石。
虽然大量研究已经证实了月球年代学函数的一阶可靠性(first-order reliability)，但是其仍然存在很多不确定性。其误差的主要来源之一就是非常有限的定标点(约10个作用)，导致月球年代学函数的一些分段缺乏样品数据的标定，完全是函数插值得到的，尤其是在~10–30亿年年龄段，存在一个明显的“年龄空白”，国内外科学家曾多次呼吁采集这一年龄段的月球样品。2020年12月，我国嫦娥五号探测器成功完成了对月球风暴洋东北部月海地区的采样返回探测。基于遥感数据的撞击坑统计分析表明，嫦娥五号采样区玄武岩喷发于距今~10–20亿年之前，刚好位于月球年代学函数的“年龄空白区”，这为重新标定月球年代学函数提供了绝佳的机会。
图2. 嫦娥五号采样区模式年龄
在本研究中，行星科学课题组乔乐副研究员联合国内其他单位科学家，聚焦于嫦娥五号采样区，利用最新的多源高分辨率影像及光谱数据，首先重新定义了嫦娥五号返回样品所代表的地质单元的空间范围(图1)，然后对其上覆直径大于1 km的撞击坑进行了精细识别和测量。研究团队在面积达34797平方公里的嫦娥五号地质单元上，识别出了59个直径大于1 km的上覆撞击坑，由此计算得到撞击坑密度(N(1)值)为(1.696 ± 0.221)×10-3 km-2。该N(1)值是基于直接测量数据结算得到，所以可以消除以往研究中利用撞击坑产生方程(crater production function)进行拟合带来的误差。基于此N(1)值，我们在不同月球年代学函数下，计算得到嫦娥五号采样区的模式年龄介于13–27亿年(图2)。最为重要的是，该N(1)值可以和后续精确的样品定年结果联合，对月球年代学函数进行重新标定，有望实现对月球历史中期阶段撞击通量的定量约束，对内太阳系其他天体地质时间的年代学特征进行重新厘定。
近年来，空间科学攀登团队行星科学课题组围绕深空探测国家战略需求，在月球地质学、陨石学及天体化学、行星遥感与光谱学等方面取得了一系列研究成果。本研究得到民用航天技术预先研究项目及国家自然科学基金资助。
文章信息：Qiao, L., Xu, L., Yang, Y., Xie, M., Chen, J., Fang, K., Ling, Z., 2021. Cratering records in the Chang'e-5 mare unit: Filling the "age gap" of the lunar crater chronology and preparation for its re-calibration. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL095132.
原文链接：Cratering Records in the Chang’e-5 Mare Unit: Filling the “Age Gap” of the Lunar Crater Chronology and Preparation for its Re-calibration
