雙層濺射席撞擊坑年代學特征對火星中緯度冰期及傾角變化的啟示

火星中緯度地區(qū)廣泛分布的非極地冰緣地貌（如相互疊加的粘性流特征、升華凹陷等）強烈暗示著該地區(qū)曾經(jīng)歷過多階段性的“中緯度冰期事件”（Mid-latitude Ice Ages）。目前學界普遍認為，這些冰期旋回事件是由火星自轉(zhuǎn)軸傾角（obliquity）在地質(zhì)歷史中發(fā)生的強烈周期性振蕩所驅(qū)動的（傾角變化范圍約為10°–60°，最大可達80°）。傾角的變化通過調(diào)控太陽輻射量在火星表面的緯度分布，進而引發(fā)地表水冰的大尺度遷移與重分布，成為火星氣候變化的主要外部驅(qū)動機制（類似地球的米蘭科維奇理論），這一觀點已得到火星軌道動力學與氣候模擬研究的有力支持。

然而，盡管地貌學證據(jù)清晰且理論模型一致，但中緯度冰期在火星地質(zhì)歷史中具體的發(fā)生時間、持續(xù)時長以及演化節(jié)律仍缺乏定量約束，制約了我們對火星氣候系統(tǒng)演化機制的深入理解。針對這一關(guān)鍵科學問題，中國科學院國家空間科學中心科研團隊聯(lián)合布朗大學，以中緯度冰期的典型產(chǎn)物——雙層濺射席（Double Layered Ejecta, DLE）撞擊坑（圖1a-c）為研究對象，系統(tǒng)開展了撞擊坑統(tǒng)計年代學分析。研究結(jié)果揭示火星在過去約35億年間經(jīng)歷了多次非連續(xù)的中緯度冰期旋回事件，其年代分布與軌道動力學模型預(yù)測的傾角變化高度吻合，為厘清火星近地表水冰演化與軌道傾角周期性變化之間的耦合關(guān)系提供了重要的觀測證據(jù)和定量約束。

圖1.（a–c）火星表面典型DLE撞擊坑示例；（d）火星DLE撞擊坑的全球空間分布圖，其中黑點表示已識別的所有DLE撞擊坑，白點代表本研究中選取用于年代學分析的142個樣本；（e）DLE撞擊坑的緯度分布統(tǒng)計圖，展示其在不同緯度帶的空間分布特征及聚集趨勢。

DLE撞擊坑是火星上一類典型的層狀濺射席撞擊坑，其濺射席呈現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層明顯覆蓋于外層之上。該類撞擊坑主要分布在火星中緯度地區(qū)（圖1d），其濺射席表面常見放射狀線性溝槽。DLE撞擊坑的雙層濺射結(jié)構(gòu)及緯度聚集特征（圖1e）最近被認為與火星高傾角時期近地表富冰基質(zhì)的存在密切相關(guān)，因此被視為識別火星中緯度冰期旋回事件的重要地貌指示物（圖2）。

圖2.火星DLE撞擊坑形成與自轉(zhuǎn)軸傾角變化相關(guān)的近地表富冰沉積物分布模式示意圖。圖中橙色表示火星表面或近地表的干旱區(qū)域，白色表示富含水冰的區(qū)域，二者之間的顏色漸變反映了冰含量在空間上的分布梯度。（a）在高傾角階段（約35°）時，水冰在中緯度地區(qū)保持穩(wěn)定，為DLE撞擊坑的大量形成提供了有利條件；（b）在低傾角階段（約25°，即當前），地溫變化導(dǎo)致中低緯近地表水冰不穩(wěn)定，水冰主要在極地附近穩(wěn)定存在。然而，部分水冰沉積物（如LDM及其他冰質(zhì)物質(zhì)）由于升華滯后效應(yīng)而仍能在一定時期內(nèi)支撐DLE撞擊坑的形成（主要分布于高緯度地區(qū)，且其規(guī)模顯著減小）。

基于圖2所示的理論模型（火星軌道傾角的周期性變化通過調(diào)控地表水冰的空間分布進而影響DLE撞擊坑的形成條件），本研究開展了定量化的年代學研究以檢驗該機制的地質(zhì)記錄。具體而言，我們利用火星偵察軌道器（MRO）搭載的CTX相機獲取的高分辨率影像（空間分辨率約6 m/pixel），在火星中緯度地區(qū)（30°–60°）隨機選取了142個DLE撞擊坑樣本，開展了系統(tǒng)的撞擊坑統(tǒng)計定年分析。結(jié)果表明，這些DLE撞擊坑的絕對模式年齡（Absolute Model Ages, AMAs）分布范圍從約4.5 Ma至3.5 Ga，覆蓋了西方紀以來的多個地質(zhì)時期，且呈現(xiàn)出明顯的時間聚集特征。為進一步揭示這些年齡的潛在聚類模式，本文引入非參數(shù)統(tǒng)計方法——核密度估計（Kernel Density Estimation, KDE），對年齡數(shù)據(jù)進行了建模分析，識別出若干具有統(tǒng)計意義的“顯著峰”信號（圖3）。我們認為這些峰為火星中緯度地區(qū)經(jīng)歷高傾角時，近地表富冰地層穩(wěn)定存在并形成DLE撞擊坑的關(guān)鍵氣候窗口，反映出多個時期的中緯度冰期旋回事件。這些年齡峰不僅與軌道動力學模型預(yù)測的高平均傾角階段高度吻合，也得到了其他冰川地貌與基座撞擊坑（pedestal craters）定年研究的有力支持。特別是，我們的定年結(jié)果顯示最年輕的DLE撞擊坑年齡約為4.5 Ma，恰對應(yīng)模型預(yù)測的約3–5 Ma間火星軌道由高傾角（約35°）向低傾角（約25°）過渡時期，這一結(jié)果可能標志著中緯度地區(qū)富冰層廣泛穩(wěn)定分布的終結(jié)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，DLE撞擊坑的形成年代并未表現(xiàn)出明顯的周期性分布特征，反而揭示出火星軌道傾角在更長時間尺度上可能呈現(xiàn)非周期性的演化趨勢。這一結(jié)果為識別火星氣候演化歷史中可能存在的間冰期演化規(guī)律提供了間接證據(jù)，并為深入探討火星古氣候演化的復(fù)雜性與多樣性提供了重要線索。

圖3.不同帶寬條件下DLE撞擊坑絕對模式年齡的KDE分析結(jié)果。（a）合并南、北半球樣本的KDE結(jié)果；（b）南北半球DLE撞擊坑絕對模式年齡的獨立KDE對比分析。

本研究構(gòu)建了全球尺度的DLE撞擊坑年代序列及其統(tǒng)計分布特征，建立了用于重建火星中緯度冰期演化歷史的系統(tǒng)年代學框架，突破了傳統(tǒng)地貌解譯在冰期時序量化方面的限制。該成果不僅為火星中緯度地區(qū)水冰的時空演化提供了關(guān)鍵的定量時間約束，也為理解軌道傾角強迫機制驅(qū)動下的火星古氣候周期變化提供了重要的地貌與年代學證據(jù)。通過揭示中緯度冰期的發(fā)生時序與軌道演化的高度耦合關(guān)系，本研究對深化認識火星氣候演化機制、重建其水環(huán)境歷史、以及評估未來火星宜居性演化潛力均具有重要意義。

該項工作以“Recurring Ice Ages at Martian Mid-latitudes Evidenced by Characterizing Double Layered Ejecta (DLE) Craters”為題發(fā)表在JGR-Planets上，論文第一作者為中科院國家空間科學中心的牛勝利特別研究助理，通訊作者為張鋒研究員，合作者包括郭弟均副研究員、劉洋研究員和鄒永廖研究員。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和空間中心“攀登計劃”等項目的聯(lián)合資助。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1029/2024JE008883

作者：張鋒

編輯：李婧

審核：李陽

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