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陨击坑普遍存在于所有的类地行星、月球以及木星与土星的大多数卫星上。对于月球和水星,陨击坑更是其表面主要的地形特征。采样和遥感数据表明陨击成坑对月壳的演化有着深刻和长期的影响。所有陨击坑中最重要的是直径可达1000 km的多环盆地,39亿年前陨星撞击月球表面所携带的质量和能量的主要部分就是以这些盆地的形式展现出来。正确理解多环盆地对于解释月球高地的演化和解释其它行星表面古老的、多坑地区是关键的。但是,大的撞击结构的形成仍是许多成坑问题中尚有争论且知之甚少的问题之一,甚至对于初始弹坑的大小和形状以及环的形成这些根本性问题目前也没有形成一致的看法。
现有的多环盆地环的形成假设分为三组:结构、波形和目标强度。由于环的形成与盆地的挖掘过程有关系,因此这三组假设又可按照盆地挖掘的假设-瞬时弹坑的比例和非比例增长分为两类。可以说没有一个模型获得世人公认,但是多环盆地环间距具有从内向外逐渐增大,且相邻两个环间距满足关系20.5D(D为环间距)的特点被认为是多环盆地起源模型研究中的一个重要方面,任何模型要想很好的解释多环盆地的起源,都必须合理解释环间距的问题。目前,能够较好解释上述间距规律的模型只有海啸模型,其基本思想是:一个盆地大小的撞击事件将会使峰值压力大于岩石破裂压范围内的固体物质发生“液化”,撞击产生的海啸波通过该流体区运动;在这个范围之外的岩石不再以流体形式运动,海啸作用停止和流体呈“冻结”状。
Van Dorn在尝试用海啸模型解释月球上的多环盆地环间距时,采用的是初始扰动为形变扰动,并假定液化深度为均匀有限深和不考虑粘滞性情况下的浅水波理论,得出的结论是环的形成是重力波在一个叠加于刚性基底上深度为50 km的液体层上传播的结果,并认为当时月壳的厚度普遍为50 km。此后,Yue等利用初始条件为冲击压时的浅水波理论,通过比较月球上三个不同的多环盆地讨论了多环盆地海啸模型的适用范围,即海啸模型仅适用于主环以内。
本论文就是在前人的研究基础上,针对多环盆地起源的海啸模型进行了深入研究,主要开展了以下两方面的工作:
(1)撞击过程中瞬时弹坑的形成时间估计
采用初始扰动为抛物面形弹坑情况下的浅水波理论,对多环盆地形成的海啸模型进行了讨论,得出了计算环位置的公式。此外,在假定液化深度相同的情况下,与初始扰动为冲击压情况下的浅水波理论得出的环位置公式进行比较,发现利用初始扰动为抛物面形弹坑计算出的盆地内保持液化的时间小,这个时间差可解释为从撞击开始到形成抛物面形瞬时弹坑所需的时间。
(2)多环盆地起源的深水波理论
多环盆地起源的浅水波理论有一明显的缺陷,就是要求在三个不同的类地行星上的每一个盆地撞击点具有相似的壳层结构。基于巨大的高速碰撞将会在被撞星体上形成一个近似半球形的熔化区这一研究结果,我们提出了多环盆地起源的深水波理论,求出了在深水波情况下用于计算环位置的公式。应用到月球、水星、火星上的多环结构时,计算值与观测符合较好,同样可以解释主环以内环间距20.5D的间距规律,且可以避免多环盆地起源的浅水波理论所存在的缺陷。