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撞擊坑

由于陨石的超高速撞击而形成的固体天体上的圆形凹陷

撞擊坑又稱隕石坑或環形山，為行星、衛星、小行星或其它類地天體表面通過隕石撞擊而形成的環形的凹坑[1]。撞擊坑的中心往往會有一座小山，在地球上撞擊坑內常常會積水，形成撞擊湖，湖心則有一座小島。

太陽系天體的撞擊坑：

在具有風化過程的天體上或者具有地殼運動的天體上老的撞擊坑會逐漸被磨滅。比如在地球上通過風化、風吹來的塵沙的堆積、岩漿撞擊坑會被掩蓋或者磨滅。在其它天體上有可能有其它效應來磨滅撞擊坑。比如木衛四的表面是冰，隨着時間的流易，冰會慢慢流動，使得這顆衛星表面的撞擊坑消失。

在地球上已確認有超過200個撞擊坑[2]，其中直徑大於100公里的僅有5個，通過對這些撞擊坑的研究地質學家還發現了許多已經無法辨認出來的撞擊坑。幾乎所有具有固體表面的行星和衛星均帶有撞擊坑。在有些天體上撞擊坑的密度可以被用來確定相應的表面地區的形成年代。

風化可能會極大地改變隕石坑的外觀。 火星北極上的這個土丘可能是撞擊坑的結果，該撞擊坑被沉積物掩埋，隨後又因侵蝕作用而重新暴露

歷史

1609年伽利略首次利用望遠鏡觀測到月球的撞擊坑[3]，1665年虎克首次推測了其成因機制，並將其歸結為火山成因，直到地質學家吉爾伯特在1893年提出撞擊成因的觀點[1]。

丹尼爾·巴林傑是第一位將地球上的地質形態確認為撞擊坑的人：他指出美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑是一個撞擊坑。但是當時他的理論沒有獲得很多支持者，當時大多數地質學家認為地球上沒有遺留下來的撞擊坑。

1920年代美國地質學家沃爾特·布克（Walter H. Bucher）研究了美國境內的一系列環形山，最後他認為這些環形山是有巨大的爆炸事件造成的，但是他認為這些爆炸事件是強烈的火山爆發造成的。但是1936年其他地質學家得出結論認為這些環形山可能是由撞擊造成的。

這個問題一直到1960年代依然未完全解決，這個時期的一系列研究，尤其是尤金·舒梅克的詳細研究提供了明確的證據證明這些環形山是由撞擊形成的，這些研究確認了一系列只有通過撞擊才會產生的衝擊變態，其中最知名的是衝擊石英。

使用這些研究所獲得的新的判斷手段一些地質學家開始在全世界尋找撞擊坑，到1970年他們已經初步斷定了50多個撞擊坑。

雖然如此他們的結果依然很有爭議。但是當時正在進行的阿波羅計劃給科學家提供了直接的月球上的撞擊坑的數據。月球上的風化極小，因此其表面的撞擊坑幾乎可以無限長地保留着。由於地球與月球上的撞擊坑密度應該相差不多，因此這些數據明顯地顯示了地球上應該有更多的撞擊坑。

地球上已知的撞擊坑的形成時間從在約1000年前到20億年以前。不過二億年以前的撞擊坑很少找到，因為地質過程將大多數老的撞擊坑磨滅了。大多數已知的撞擊坑位於大陸內部比較穩定的地區。水面以下海底的撞擊坑很少被找到。首先因為水下勘探依然比較困難，其次因為海底的撞擊坑也比較容易被磨滅或者通過板塊運動潛沉到地球內部。

目前的估計是現在約每一百萬年在地球上會形成一至三個直徑超過20公里的撞擊坑。按照這個估計目前在地球表面還有許多沒有被發現的年輕的撞擊坑。

類型

根據撞擊坑直徑的規模，可以將撞擊坑分為微坑、簡單坑、複雜坑和撞擊盆地[3]。

不同類型的撞擊坑
 
月球樣本上的微坑
 
地球上的巴林傑隕石坑是一個簡單坑
 
月球上的薛定諤環形山是一個中央環撞擊坑
 
月球上的東方海是一個撞擊盆地

微坑

微坑是撞擊坑中規模最小的一類，通常要在顯微鏡下才能看清[1]。其最小直徑沒有明確的界線，但最大直徑的微坑足以破壞所在的岩石標本[1]。這種撞擊坑首先在月球樣品中被觀察到，內部熔融且光滑[3][4][5][6]，外部可能分布少量濺射的熔融物質[7]。

絕大部分微坑有坑沿[1]。實驗室的超高速撞擊實驗表明，沒有坑沿的微坑可能是小天體撞擊過程中濺射的碎片再次撞擊形成的[4]。另外，研究表明，到源坑的距離越近，則微坑的規模越小，破裂越嚴重，表明撞擊越強烈[8]。

簡單坑

簡單坑呈碗型，有一個凸起的坑沿，其內部一般存在從坑壁垮塌滑落的角礫岩透鏡體，其最大直徑與撞擊坑所在天體的重力常數呈倒數關係，在月球上約為15公里[3]。小天體上絕大多數的撞擊坑都屬於簡單坑[9][10]。

複雜坑

隨着撞擊坑直徑的增加，撞擊坑底部逐漸平坦，在坑壁出現階地狀地貌。當直徑進一步增加時（在月球上約為25公里），在坑底將出現中央隆起，形成中央峰，中央峰的高度一般低於撞擊坑外部地形。中央峰物質是坑底物質的回彈。當撞擊坑的直徑進一步增加時（月球上約為140公里），中央峰將被環形山所取代，而且在不同天體上這種轉換直徑與相應的重力常數呈反比。[1]

複雜撞擊坑進一步還可以分為平底坑、中央峰撞擊坑、中央環撞擊坑及中央坑撞擊坑[1]。

複雜撞擊坑的不同類型
 
平底坑：月球上的柏拉圖坑
 
中央峰撞擊坑：月球上的第谷坑
 
中央環撞擊坑：金星上的巴頓撞擊坑
 
中央坑撞擊坑：月球上的梯摩恰里斯隕石坑

撞擊盆地

在月球上，當撞擊坑的直徑進一步增加時，將形成撞擊盆地[1]。與中央環撞擊坑中相比，它的兩側不是對稱的，面向坑中心的一側較陡，另一側較緩，這表明它是向盆地中心垮塌造成的，而不是類似於中央峰或者中央環由坑底部以下物質隆起造成的[3]。除月球和木衛四外，尚未在其他類地行星表面發現確切的撞擊盆地[3]。

隕石坑的形成

 
撞擊坑形成過程，說明文字為西班牙文

撞擊成坑過程

在沒有大氣的天體上，當隕擊體與地表接觸時撞擊坑開始形成。在有大氣的行星表面，大氣會對質量較小的隕擊體有較大的阻礙作用，但對超過一定質量的隕擊體撞擊過程影響很小。在撞擊過程中，高速移動的隕擊體會壓縮前方的氣體，形成一個弓形的衝擊波，衝擊波波前和隕擊體表面之間存在一個小範圍的「駐點」區。在隕擊體接觸地表時，駐點區受到強烈壓縮並形成衝擊波。[1][3]

當超高速運動的隕擊體接觸行星表面時，會以衝擊波的形式強烈擠壓其前方的物質，之後衝擊波迅速向隕擊體尾部和行星表面傳播。衝擊波的強度遠超過隕擊體和靶區物質的強度，導致物質的破裂、液化和氣化。當衝擊波到達隕擊體尾部時，將形成傳播方向相反的稀疏波，將靶體物質挖掘出來並濺射到周圍，形成碗狀的瞬時撞擊坑。對於微坑而言，形態基本保持不變，而對於簡單撞擊坑而言，瞬時撞擊坑是重力不穩定的，會發生坑壁坍塌和形成中央隆起等現象。[1]

多環盆地的形成機制

 
木衛四上的多環撞擊坑：瓦爾哈拉撞擊坑

關於多環盆地的形成機制目前仍存在爭議。有學者提出，月球早期存在一層低黏度軟流層，當撞擊坑規模足夠大，達到該軟流層時，會導致軟流層向坑中心移動，形成不對稱的陡崖。然而，這種低黏度的軟流層在行星中較為稀少，因此在地球和火星等行星中未發現確定的撞擊盆地。[3][11]

地球上撞擊坑的形成

 
位於澳大利亞西部的舒梅克撞擊坑

地球上撞擊坑的形成條件是一個物體以11.6km/s以上的速度與地球相撞。在撞擊過程中，物體的動能會轉換為熱能，釋放出相當於上千噸TNT爆炸能量的能量。這種撞擊事件在地球上平均每年會發生一次，通常發生在大洋中。大質量的隕石在大氣層內基本不會減速，撞擊過程會產生高溫高壓等極端條件。球粒隕石和碳質球粒隕石在這種狀況下會在它們與地面撞擊以前就被破壞，但是鐵-鎳金屬隕石的結構足夠強，可以與地面撞擊造成巨大爆炸。

當隕石與地面相撞時它將當地的空氣、水和岩石壓縮為極熱的等離子體。這個等離子體向外快速擴張，並迅速冷卻。它與其它被投射的物件以軌道或近軌道速度被拋出。它們甚至可以完全脫離地球的引力，有些甚至可以在其它行星表面成為隕石墜落。沒有空氣的天體表面往往還可以看到從撞擊坑向外輻射的外拋物留下的痕跡。不過在此應該提到的是關於這些輻射線的產生原理還有其它、非撞擊的理論。

在等離子體內部非常高能的化學反應會發生，比如在地球上鹽水和空氣可以合成非常強的酸。等離子體內氣化的岩石會凝結成水滴形的似黑曜岩，這些似曜岩可以分布到撞擊點周圍很大的範圍里。但是也有人認為似曜岩不僅僅是撞擊產生的。比如世界上最大和最年輕的似曜岩區（位於澳大利亞周邊，約70萬年）就缺乏一個撞擊坑。假如這裡的似曜岩的確是由於撞擊所形成的，那麼這麼大的一個撞擊坑肯定不會在過去一百萬年中被磨滅。

海上撞擊事件造成的危害比陸上撞擊更大，可以導致海嘯等災害。據計算希克蘇魯伯的撞擊造成了50至100米高的海嘯，在內陸數千米處形成了堆積。撞擊事件不僅在地表形成撞擊坑，還會產生輻射、岩石熔化等現象。長期以來，地球表面的撞擊坑會受到風化和地質過程的影響而逐漸消失。

有些火山口看上去像撞擊坑，而大理石除可以通過撞擊形成外也可以通過其它過程形成。不爆炸性的火山口一般很容易與撞擊坑區分，因為它們形狀不規則，而且還有岩漿流和其它火山物質。只有金星上的撞擊坑也有融化的物質流淌。

撞擊坑最不同的標誌是岩石受到的衝擊變態如碎裂屑錐、熔化的岩石和晶體變形。比較困難的是至少在簡單的撞擊坑裡這些物質比較趨向於被深埋。但是在複雜的撞擊坑裡可以在中心上射的部分找到它們。

除火山外地下核爆炸也會造成類似於撞擊坑的坑。事實上世界上坑最密集的地區是美國的內華達測試基地。

 
地球上隕石坑的分布，數據來自地球撞擊資料庫2017年11月的數據（在SVG文件中，將鼠標懸停在隕石坑上可顯示其詳細信息）

識別撞擊坑

特徵辨識

可以用來辨認撞擊坑的特徵有：

  • 撞擊坑底部有一層「大理石化」的岩石。
  • 碎裂屑錐，這是岩石上V形的凹坑，尤其在細粒的岩石上容易產生這樣的碎裂屑錐。不過一些學術論文報道說在火山噴射物中也有碎裂屑錐。
  • 高溫岩石比如溶化過得硬和焊在一起的沙塊、似曜岩以及溶化的岩石飛濺後形成的玻璃。不過有些學者懷疑似曜岩可以作為撞擊坑的特徵。在一些火山地帶也有似曜岩被發現，此外似曜岩一般比典型的撞擊岩石要干。撞擊後溶化的岩石類似火山岩，但是它們包含有沒有溶化的岩層的碎片，組成不尋常的、大面積的覆蓋面，它們的化學成分也比從地球深處噴出來的火山岩要複雜。此外它們往往含有在隕石中比較多的微量元素如鎳、鉑、銥、鈷等。
  • 礦物中的微壓力變形。這包括石英和長石中晶體破裂、高壓物質如金剛石的形成、衝擊石英的變形如重矽石和斜矽石。

人工識別方法

在人工識別方法中，通常首先進行撞擊坑坑緣的識別，隨後通過擬合獲取撞擊坑的相關參數[1]。常用的工具為ArcGIS平台下的CraterTools插件。該插件在撞擊坑坑沿上均勻間隔地選擇三個點，將其擬合成一個圓，從而得到撞擊坑的位置與直徑[12]。

另一種方法是在提取撞擊坑時手動選擇多個點，通過最小二乘擬合得到表徵撞擊坑的圓，這種方法更精確但較費時[13]。

自動提取方法

自動提取方法依據所用到的數據類型可分為基於影像數據的方法和基於地形數據的方法[14]。

基於影像數據的方法提供較高的分辨率，但受到坑沿在影像上難以精確識別的限制，且容易受到光照等因素的制約，因此誤檢率較高。基於地形數據的方法一般通過識別撞擊坑的坑沿，然後進行擬合。[14]

此外，機器學習和深度學習的方法利用高程數據進行撞擊坑自動識別[15][16]。

影響

 
撞擊事件導致白堊紀—古近紀滅絕事件的想象圖

撞擊過程是太陽系最普遍的地質過程，除地球、木衛一等少數特殊天體之外, 撞擊坑是大多數類地行星天體的主要地貌[1]。撞擊過程主導了類地行星的形成過程，確定了類地行星的初始狀態[3]。早期的大型撞擊過程深刻地影響了天體的結構以及後期的演化[17]。高速撞擊過程導致大量物質氣化，對行星大氣的產生與後期改造產生重要影響[18]。此外，撞擊過程還可以將少量物質濺射到其他天體中，實現行星際間物質的轉移，這對於生命在宇宙中的傳播具有重要意義[19]。

撞擊過程對於地球生物演化具有重要意義，例如，大部分科學家相信白堊紀—古近紀滅絕事件就是一顆直徑約為10公里的小行星撞擊到地球上導致[20][21]。

在沒有大氣的天體表面，微隕石轟擊是改造表層物質成分與結構的主要方式[22]。

參見

參考文獻

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外部連結

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