撞击坑是月球上最显著的地质构造，是月球科学研究的重要内容，是由超高速撞击作用形成的，并且撞击过程理论涉及行星地质学、行星物理学和天体化学等多学科。按时间顺序撞击过程分为压缩、挖掘和改造三个连续阶段，撞击形成的中央的坑内物质及坑外的溅射物，一般会保留一些撞击发生时的重要信息(Melosh，1989)。因此，对中央坑物质和对溅射堆积及辐射纹的研究结果，可作为判断撞击坑撞击初始条件的重要依据。

东海盆地位于月球正背面交界位置，与月球正面大型撞击盆地(如雨海等)相比其中央充填的岩浆岩较少，形成于38亿年(雨海纪)前，是月球上保存最完整最年轻的多环盆地(Hartmann and Kuiper， 1962; Head， 1974，2012)，是一个直径930km的多环形撞击盆地，其有类似同心圆的四环结构：(1)标志着盆地边缘的科迪勒拉环(CR，D~930km)；(2)类似多边形的橄榄岩组成的外卢克环(ORR，D~620km)；(3)崎岖山丘组成的内卢克环(IRR，D~480km)；(4)不连续的包围着内部月海填充物的内环(IR，D~320km)(Potter et al., 2013b)。其中外卢克环为盆地的边缘(Head，1974; Head et al., 2010)，一般被作为东海盆地撞击过程中的瞬时坑边缘，即瞬时坑直径为620km(Vaughan et al., 2013)。东海盆地包含三个建造，可能与盆地撞击作用有关，从内到外依次为Maunder建造、Mounts Rook建造和Hevelius建造。Maunder建造为内卢克山脉以内以港湾状环绕东海的撞击熔融体沉积，主要包含一些海拔较低较平滑的平原区域和一些海拔略高起伏较大的岩浆沉积，其地形特征显示Maunder建造可能包含撞击熔融体的不同岩相(Head et al., 1993)；Mounts Rook建造呈多瘤型，位于外卢克环和科迪勒拉环之间；Hevelius建造为主要的溅射物分布区，位于科迪勒拉环外大约一个盆地的直径约1000km(Bussey and Spudis， 1997)。

东海盆地为撞击成因的假说已被大多数学者所认可(Head，1974; Scott and McCauley， 1977; Wilhelms et al., 1987; Head et al., 2010; Schultz and Papamarcos， 2010; Potter et al., 2013a; Blair et al., 2014; Zhu et al., 2015)，但由于对其的撞击熔融体的体积、撞击坑的边界、溅射物的分布范围等未达成一致，形成了系列撞击形成机制。本文摒弃以往的单一或两种数据简单推理，利用多种类型的数据结合地理信息系统数据分析，对图件进行多元化处理，进行系统的多源数据的融合分析，提取出更为综合精确的东海盆地的熔融体、溅射物、线性构造信息，从而绘制成东海盆地综合解译图。并结合撞击坑形成理论得到更精确的东海撞击初始条件假设。

地形数据是在地质特征分析中最常用的数据，其能很好的揭示撞击坑的地质特征、发展历史、重力异常的地形因素等，在月球数据研究中应用最为广泛。分析东海地区LOLA高程数据(图 1，参考月球椭球半径为1737.4km)，高程值大约介于4000~-3000m，从大范围来讲，东海地区高程相当，整体地势也较为平坦，从LOLA高程剖面(图 1)还可以很直观地发现有与影像数据相对应的四环结构，东海地区呈现出明显的地势下陷，显示出明显的撞击盆地特征。但西部地形整体高于东部，这可能与月球的地体构造有关，更有可能与低角度斜撞击溅射物在撞击方向上的堆积有关。

图 1

Fig. 1

图 1 100m分辨率LOLA地形数据及其剖面 Fig. 1 LOLA terrain (100m resolution) data and its profile

笔者利用ArcGIS对LOLA地形进行了坡度分析、表面粗糙度分析及焦点流分析(图 2)。坡度图微观上表现了月球表面在该点的倾斜程度，值越大，说明高程变化越大(图 2b)。表面粗糙度宏观上反映了东海地形的起伏变化和侵蚀程度，1表示月表平滑，与1相差越大表面越粗糙，地形变化越大(图 2c)。焦点流图宏观挖掘出地形的起伏，排除小型起伏的干扰，展现了宏观尺度的地形变化趋势(图 2d)。图 2a为东海盆地中央熔融区的LOLA地形图，可清晰地看出有一条高程高于周围熔融物的中央山脉(统称之中央隆起线)，从图 2b的坡度图和图 2c的粗糙度图上可更为清晰的发现这条中央隆起线，在粗糙度图上更是可以清晰发现，以中央隆起线为界限，中央熔融物分为平滑部分和粗糙部分(Spudis and Martin， 2014)，粗糙部分呈线性堆叠状。同时还可看出，实际科迪勒拉山脉并不是理想的圆形，而是在其西南方位略有突起，虽然大部分是由此处的两个发生在东海撞击之前隐形撞击坑引起的，但是根据影像数据和撞击坑的形成机制判断，部分是由于东海自身的撞击引起的。

图 2

Fig. 2

图 2 地形分析系列图件 (a)东海中心的LOLA高程图；(b)坡度图；(c)表面粗糙度图；(d)焦点流图 Fig. 2 Series images of topographic analysis of Orientale Basin (a) LOLA DEM of the center of Orientale Basin; (b) slop image; (c) surface roughness image; (d) the focal flow image

同时从图 2a-c中都可看出，中央隆起线的延伸方向与突起的延伸方向正好呈垂直关系。这种现象在地球上的部分撞击坑也有，如Waqf as Suwwan撞击坑(Miljković et al.， 2013)。同时，在Davison的实验模拟中其45°撞击模拟也曾出现中央隆起线，其与撞击体撞击的方向垂直(Davison et al., 2011)；2009年，Elbeshausen做了3D斜撞击数值模拟，在其模拟的撞击下游有瓦状堆叠现象出现，他解释为撞击过程中水平上受力引起的(Elbeshausen et al., 2009)。综上，虽然在前人关于月球坑的研究中未曾提到中央隆起，但基于大量的理论与实验数据，可证明其存在具有合理性，可推测东海的中央隆起线应是在撞击过程中主要以水平方向的受力为主的挤压堆积而成(图 3)，此条中央隆起线可作为判断东海盆地撞击方向的一个重要参数。

图 3

Fig. 3

图 3 中央隆起线的形成机制示意图 模型表明在45°斜撞击时，由于撞击体低角度倾斜撞击月球表面，造成水平方向上较大的力，使在中央偏下游出现中央隆起并出现类似瓦片状的堆积，参考Elbeshausen et al., 2009 Fig. 3 Fig.3 Diagram of the formation mechanism of the central uplift line Modeling shows that the crater collapse starts uprange and progressively shifts downrange at an oblique impact, causing greater force on horizontal direction, which leads to the formation of an central uplift that displays a downrange vergency and contains an imbricated inner structure. For further details concerning model parameters the reader is referred to Elbeshausen et al., 2009

焦点流基于一定的阈值范围，对在一定范围内的数据值进行汇集，可反应地形的宏观变化。从图 2d的焦点流图中可清晰的看出，东海撞击坑溅射物的范围，溅射物除东北方向外其他方向都有所延伸，可分辨的范围纬度40°N~70°S，经度40°W~160°W，并且从焦点流图可清晰的发现，西北和东南方向的溅射物呈对称分布，分布轴的方向是西南方向溅射物的延伸方向，这与图 2b的坡度图和图 2c的粗糙度图上的中央隆起线和西南方位的突起相一致，这都反映东海的撞击方向可能是由东北向西南撞击形成，并且其明显的溅射物分布，是由于低角度撞击引起的。

对于东海盆地的光谱特征，前人已经做过一定的分析。Spudis et al.(1984)通过对对地基望远镜所获取的月球正面光谱的分析，认为东海盆地位于月球正面的溅射物，其矿物成分以斜长岩质为主。Head et al.(1993)利用伽利略号的数据进行反演，认为东海盆地Hevelius建造与Appolo16的样品成分类似，Maunder建造为撞击熔融物，年代小于Hevelius建造。近年来，利用Clementine、IIM、M³等高分辨率的多光谱数据，得到广泛应用并且取得了诸多成果。Bussey and Spudis(1997)利用Clementine数据和地球上岩石的光谱特征，绘制出了东海盆地的地质单元组分，认为溅射物的组分和内卢克环的组分类似，而Monts Rook建造含有更多的镁质岩石，内外卢克山脉含有高纯度的斜长岩。Cheek et al.(2013)利用Hapke模型对M³高光谱数据进行了混合光谱分解计算，并将东海盆地的斜长岩含量分为3个等级，认为东海盆地最纯的斜长岩(99%~100%)主要分布在430km的内卢克山脉内的Maunder建造，是由于撞击造成中央物质熔融又重结晶的结果。同时，其还给出非月海(中央熔融区)的斜长石分布，如图 4所示。从图 4中，可以看出，斜长石的主要分布区域，最纯的斜长石主要分布在东海的西北和西南区域，尤其西南区域，除内外卢克山脉上有，在科迪勒拉山脉上也有稍许分布，其它两类岩石的分布也在西南区域较为集中，并向外延伸分布，这与地形图中溅射物分布相一致，都为揭示撞击坑的方向提供了参考依据。

图 4

Fig. 4

图 4 依据M3光谱数据对非月海中心区域的斜长石分类结果图(据Cheek et al.(2013)) 红点所在位置代表斜长石含量在99%~100%的A类斜长石，黄点所在位置代表斜长石含量在96%~98%的B类斜长石，黑点所在位置代表斜长石含量在≦95%的C斜长石) Fig. 4 Non-mare locations with strong mineral absorption features, shown classified according to their spectral properties (after Cheek et al.(2013)) Class A (99%~100% plagioclase) are represented by red symbols, and Class B (96%~98% plagioclase) are represented by yellow symbols. The remaining locations (black) are Class C (≤95% plagioclase)

另外，目前大部分研究学者在光谱反演时使用的端元矿物的反射率光谱同样来自美国Brown大学Relab光谱库或USGS光谱库数据，端元矿物均为从Apollo工程中采集到的真实月壤样品中分离出来的纯净矿物。但是由于实验室环境和月表环境的差异，以及仪器的倾斜角、太阳角、飞行因素等的影响，获取的光谱数据与实验室的光谱图库有一定的差异，目前月球上仅一处校验场，校验精度无从比对，无法像地球遥感那样进行实地校验场校验，因此只能直接从获取的遥感影像中提取各类区域的光谱信息。笔者利用IIM多光谱数据，提取东海盆地典型区域的光谱并建立光谱库，仅做相对比对，如图 5所示，其数据结果可能更为可靠。Hevelius建造、Monts Rook建造、中央隆起线、Maunder建造粗糙部分、Maunder建造光滑部分的反照率光谱呈递减趋势，中央峰分布略有差别，说明其是不同类型的物质组成，这与其中的Fe²⁺含量有关，同时可发现中央隆起线的光谱反照率大于Maunder建造的反照率，比其两侧物质的反照率均大，而小于周围两个建造的物质，说明中央隆起线的物质可能是熔融体重结晶的结果。

图 5

Fig. 5

图 5 IIM光谱数据上各典型区域的特征光谱 Fig. 5 The characteristic spectrum of IIM spectral data of Orientale typical area

但由于IIM多光谱数据分辨率和坏损条带的影响，未能绘制出理想的矿物含量分布图，但可对IIM多光谱数据进行MNF(主成分)变换，经主成分变换后，信息主要集中在前几个波段，分别赋予MNF3、MNF2、MNF1红绿蓝，形成假彩色图像，如图 6所示，可以更为清晰地看到撞击坑信息和物质信息，通过前人做的研究和经验可大致判断棕色物质为熔融物质亮度较暗分布在盆地中央，蓝色物质为斜长石组成的溅射物质分布于撞击坑边缘位置和周围，黄色物质可能为未被严重破坏的高地物质，粉色位于撞击坑中和周围，可能为挖掘或溅射的物质，通过此图可清晰的展示出撞击坑溅射物质的分布，可发现蓝色溅射物的主要集中在西南、西北、东北，而东南位置较少，这为最后撞击方向的确定提供了理论依据，也为3.1的东海综合图的绘制给予了一定支持。

图 6

Fig. 6

图 6 IIM数据的主成分分析图 Fig. 6 The image of the principal component analysis of IIM data

相信在今后随着技术的精进，将绘制出质量更好的含量图，从而会更好得支持本文的理论。

由于月壳厚度的变化、壳内各层物质密度和上月幔物质密度的横向变化等深部因素导致重力异常，撞击坑过程中由于靶岩(行星撞击表面)出现系列的物理效应，导致在大型撞击坑的平面重力异常呈环状等值线。以往的月球重力场模型如LP165P重力场模型、SGM100h重力场球谐模型等都是依据地形数据进行反演，美国新获取的GRAIL直接探测得到重力场数据，相对模型获取的重力场数据更具准确性。

从GRAIL的600阶重力布格异常数据可看出(图 7a)，东海盆地的重力异常与高程呈现负相关关系，中央尤为明显的正重力异常，这与撞击过程中的撞击熔融体的存在有关，中央的质 量瘤正好与理想内环一致，而在外卢克环外开始为负重力异常。而在正负异常带之间，分布着一些重力梯度带，这些重力梯度带可以作为划分构造单元、确定构造边界的标志，因为它们主要反映区域性的大断裂或不同岩性的接触带。

图 7

Fig. 7

图 7 东海的GRAIL数据(a)及结合GRAIL数据和LOLA数据获取的东海地壳结构的横截面参考(b)(据Kiefer et al., 2015) 黄色代表月壳，浅绿色代表月幔，红色代表熔融体 Fig. 7 The GRAIL data of Orientale (a) and the cross-section of Orientale’s crustal structure from GRAIL and LOLA (b) (after Kiefer et al., 2015) Yellow corresponds to crust, green to mantle, and red to impact melt sheet

同时，对GRAIL的600阶重力布格异常数据做曲率分析，得到布格重力异常的平面曲率图和剖面曲率图，如图 8所示。其中剖面曲率是对地面坡度的沿最大坡降方向地面高程变化程度。平面曲率指在地形表面上，具体到任何一点在的地面等高线的弯曲程度。通过分析可知东北位置的平面曲率和剖面曲率都比较大，而西南位置的曲率变化较小，说明东海盆地的西南位置的岩石密度变化不大，而东北位置的岩石密度的变化较大，这与LOLA数据做出的月表粗糙度的分布正好相反，这很可能是由于撞击方向是自东北至西南，虽然西南位置由于堆积作用地形起伏较大，但岩石熔融破变质发生的位置主要位于撞击的上游引起的。

图 8

Fig. 8

图 8 600阶GRAIL数据的曲率分析图 (a)剖面曲率；(b)平面曲率 Fig. 8 600 order GRAIL data curvature analysis diagram (a) the profile curvature; (b) the surface curvature

同时，通过GRAIL数据还可估算撞击过程中形成的熔融体的大小，为撞击能量的估算提供理论依据。

Wieczorek et al.(2013)假设月壳和月幔厚度不同(月壳为2550kg/m³，月幔为3220kg/m³)利用GRAIL数据进行地壳厚度反演，得到月球月壳厚度分布，但是其未考虑撞击时产生的撞击熔融体，其结果也许适用于高地地区的斜长岩但是不适用于撞击熔融体；在东海撞击体中心，如果考虑撞击熔融体的影响，假设撞击熔融体的密度为2720kg/m³，则月壳厚度将增加约25%。Kiefer et al.(2015)对高精度GRAIL数据进行分析，结合LOLA数据得到了东海盆地的地体密度分布，其在模型中假设地壳厚度为2550kg/m³，月幔密度为3220km/m³，熔融体的厚度为10km，则与其适应的熔融体密度为2720kg/m³(图 7b)(Kiefer et al., 2015)，进而可计算出熔融体的体积约为约为1.1×10⁶km³，占东海盆地内部物质的25%。

Miljković et al.(2015)的工作说明在撞击过程中撞击体熔融后很可能发生重结晶及莫霍面抬升作用。重力异常是莫霍面抬升和撞击体熔融综合作用的结果，又由于未有研究发现东海中心有橄榄石的分布，因此可推测在东海发生了莫霍面抬升并且表面出现了重结晶，撞击未穿透月幔层，可作为撞击过程的条件假定的参考。

相信随着重力场精度的增加和重力解译方法的精进，会得出更精确的关于月幔和熔融的方向与受力有关的依据，这些将有可能更精确的推测出冲击波的在各个方向上强度，可更精确判断出撞击的方向，溅射物的厚度，为撞击条件的假定提供更充分的依据。

通过对上述三种类型数据的融合解译，可获取东海盆地三大建造的分布(图 9a)，主要包括东海理想撞击环、溅射物的主要单元、线性构造、中央隆起线。(1)绘制出理想的撞击环，其中内卢克环、外卢克环、科迪勒拉环、外科迪勒拉环的范围和大多数学者的研究一致，唯一不同的是最外部的撞击环，通过2.1节中的焦点流图(图 2d)，可清晰地看出其溅射影像范围是纬度40°N~70°S，经度40°W~160°W，这是东海撞击时可能影响的范围，虽然现在能保留下来的证据很少；(2)针对Hevelius建造(主要溅射物分布区域)，根据多源数据的融合结果，将Hevelius建造分为科迪勒拉山脉内及附近的Hevelius建造连续区域及距科迪勒拉山脉1000km范围的Hevelius建造不连续区域(其上有次级撞击坑、一些线性构造)，不连续区域的分布范围可明显看出溅射物的分布，虽然与前人的绘制的东海图产生较大分异，但是这是基于事实数据的真实反映；(3)通过影像数据和GRAIL数据反演的月壳厚度图，还发现在边缘位置是有包围着东海的弧度的信息(图 9b)，这很可能是东海撞击的残留的信息，只是被后期的岩浆事件掩埋，不再那么清晰；(4)依据LRO影像数据、LOLA高程数据、GRAIL重力数据等绘制出部分可能与东海撞击有关的线性构造如断裂、月岭及月谷等；(5)根据线性构造分布及地形光谱数据的解译，东海盆地中央隆起线的存在是不争的事实，将其简化即可绘制成图 9c中的中央隆起线。

图 9

Fig. 9

图 9 东海盆地综合解译图 (a)结合三类数据画出的东海盆地溅射物的分布、三大建造、部分线性构造图(底图为LRO数据)；(b)图(a)西南位置不连续溅射物区域时时的参考示意；(c)东海撞击方向示意图(东海理想斜撞击方向(黑色箭头)，中央隆起线(红色)，接近垂直时的受力(蓝色)) Fig. 9 Comprehensive interpretation of the Orientale Basin (a) the structure map of Orientale Basin with the LRO image as background, it contents the eject distributions, the formations and parts of line structure; (b) the LRO image, which is the judgment of the discontinuous impact ejecta area; (c) the Oriental Basin impact direction molding (black represents the impact direction red line for the central uplift line NE-SW, and blue area is the impact strength distribution)

依据东海盆地溅射物和线性构造，可绘制出东海撞击时各方位理想化的受力分布玫瑰图，如图 9c所示，其中红色线为理想化的中央隆起线。经测量，其走向为NW-SE，与东海盆地的撞击方向垂直，即东海是撞击体自东偏南20°~30°的撞击月表形成的，这是对东海盆地撞击条件推测上的一重大突破，这与张福勤等(2010)一些的研究不尽相同，这是由于其单方面考虑影像和地形数据进行判别的错误判断。

根据图 9b中的溅射物分布并结合目前国际上比较认可的对行星中的斜撞击坑的研究，可对斜撞击的角度进行理论推测：首先根据Shultz(1992)、Pierazzo and Melosh(2000)的研究成果，当斜撞击角度小于45°时开始出现不对称分布，小于15°时会出现溅射物呈现蝴蝶型分布的斜撞击理论，结合东海的溅射物分布形态，东海的撞击角度应介于15°~45°之间，比对他们出的不同角度的斜撞击模拟，可进一步推测东海撞击角度介于15°~30°之间；其次，发现的东海溅射物的分布更其接近于Davison et al.(2011)实验室及3D模拟的20°斜撞击的溅射物分布，并且其具有和东海类似的位于月海中央区的撞击方向下游的物质堆叠；同时，还发现东海的溅射物分布与Kenkmann et al.(2014)统计出的火星上位于2.29°N 64.83°E的撞击坑的溅射物分布及其相似，其撞击角度介于20°~35°，那么东海的撞击角度很可能也介于20°~35°。综上，东海撞击坑的撞击角度为20°~30°，这与Schultz and Papamarcos(2010)认为东海的斜撞击角度15°~30°基本一致，但进一步缩小范围。

近些年来，随着数值模拟技术的发展，利用数值模拟来研究其形成的学者越来越多。通过理论计算与垂直数值模拟，Stewart(2011)认为东海是一个直径100km撞击体10.6km/s速度撞击月球表面形成，产生的能量相当于撞击能量15×10²⁵J；而Potter et al.(2013a)认为东海盆地是一个直径50~80km撞击体以约15km/s的速度撞击而成，产生的动能约为2×10²⁵~9×10²⁵J；Blair利用数据有GRAIL重力数据和LOLA地形数解释东海重力异常，Blair et al.(2013)认为东海是直径70km的撞击体以15km/s的速 度撞击月表形成；Zhu et al.(2015)通过LOLA数据的地形分析和GRAIL数据的月壳厚度图分析，认为东海盆地是由一个100km的撞击体以12km/s的速度撞击月表形成。但他们都是垂直撞击的数值模拟，能量等计算上存在 偏差。

撞击体的大小与熔融体的大小、溅射物的分布有关，如果将撞击模型简化，可认为撞击体的直径约为熔融体直径的1/5(Johnson and Melosh， 2014)。另外，依据能量守恒定律，进而估计撞击体的速度；也可通过计算撞击坑熔融体、溅射物的分布范围，估算产生的能量、溅射物的速度等，它们之间的关系是：

综上，再考虑上斜撞击的影响，可推算出撞击东海盆地的撞击体的直径50~100km，速度约为10~30km/s，这与Potter et al.(2013a)、Zhu et al.(2015)的推测结果大体一致。

本文通过多源数据融合的综合分析，得到以下结论：

(1)发现在东海中央熔融区存在一条与东海撞击方向垂直的中央隆起区域，是中央熔融区的粗糙部分与光滑部分的分界线，提出其形成的原因可能是撞击过程冲击波的堆积作用；

(2)绘制完成全新的东海盆地溅射物分布图，并绘制出东海的部分线性结构；

(3)根据中央隆起线(隆起区域简化成线)、溅射物及线性构造的分布特征，提出东海盆地自东偏北约20°~30°方向的撞击形成；

(4)根据理论估算，认为东海是一直径在50~100km的撞击体以10~30km/s的速度以20°~30°的角度斜撞击月表形成的。

笔者仅是根据理论和数据的解译的结果，接下来的工作将进行数值模拟和实验模拟的验证。另外，如果考虑到月球的逃逸速度为2.4km/s，其中一定有一部分溅射物在溅射出时获取的速度大于逃逸速度，因而可能导致计算的结果偏小。相信随着月球数据的发展，和成坑机制的更多理论的发展，东海撞击坑形成的面纱将一步步为行星研究者们揭开，从而为其他大型盆地的撞击机制提供更好理论与技术支持。