木星和土星冰卫星上的撞击坑分布:探寻外太阳系撞击体来源的钥匙

充分认识外太阳系撞击体的来源类型和分布特征,对认识外太阳系固态天体上撞击过程,明确外太阳系天体上的撞击坑生成率和撞击坑定年等诸多方面具有重要的意义。得益于海量高质量探测数据的获取,如今我们对内太阳系主要天体表面的撞击分布和来源已经有了较为深入的了解,但对外太阳系天体的撞击分布和来源还知之甚少。不同大小频率的撞击体会在外太阳系冰卫星表面形成不同大小频率分布的撞击坑,不同飞行速度的撞击体也会在同步自转的冰卫星上留下程度不同的前导-后随半球不对称分布的撞击坑,因此,对外太阳系冰卫星上撞击坑的大小频率分布和前导-后随半球不对称性分布的观测,可以用于反推外太阳系的主要撞击来源。木星系统中大坑(D>10~30 km)的主要撞击来源是日心小天体(环绕太阳),但目前在木卫三和木卫四上观测到的前导-后随半球不对称性程度与黄道彗星引起的不对称性程度并不相符,更接近于近各向同性彗星(NICs)引起的不对称性,这与目前的天文观测和理论计算结果不一致;木卫二上的大坑稀少,小坑(D<1 km)则主要受一次坑的溅射物影响。对土星系统,土卫五和土卫八的大坑(D>20~30 km)分布更符合日心小天体来源;而土卫一、土卫四、土卫三上的分布则与行心碎屑物(以行星为中心)一致,尤其是小坑更可能来自以土星为中心的撞击体影响,例如大型盆地的溅射物或卫星碎片残骸。

基于卷积神经网络的月球南极-艾特肯盆地撞击坑自动识别及中型撞击坑绝对模式年龄估算

月球南极-艾特肯盆地是太阳系最大的撞击盆地之一,也是月球上最大、最古老的撞击盆地.南极-艾特肯盆地是研究早期大型撞击事件的重要窗口,而小型撞击坑的识别与计数定年是研究南极-艾特肯盆地演化史的基础.由于撞击坑直径和数量符合幂次定律,数量众多的小型撞击坑难以单纯依靠人力进行识别.近年来,计算机算力的提升使得训练复杂的卷积神经网络成为可能.采用已有的专家标注训练神经网络,进而实现图像特征的自动提取,能够在保证准确率的同时极大地提高识别效率.采用基于卷积神经网络算法的You Only Look Once Version5(YOLO V5)目标探测系统来自动识别月球南极-艾特肯盆地直径为2~15 km的小型撞击坑.在训练神经网络时,使用融合了SELENE和LRO数据的数字高程模型SLDEM2015和最新的专家标记撞击坑数据库.训练好的网络在测试集上的结果与专家标记的撞击坑数据库相比,识别结果的准确率(Precision)为0.96,召回率(Recall)为0.95,F1值为0.95.通过对与专家标注不符的识别结果进行可视化,识别出至少十个专家误标记的撞击坑,证明撞击坑自动识别方法可以用于检验专家标注的可靠性.基于南极-艾特肯盆地的撞击坑自动识别结果,确定了南极-艾特肯盆地四个典型中型撞击坑的绝对模式年龄,并与已有的定年结果对比,进一步验证了自动识别结果的可靠性,也显示了提出的方法在利用自动识别的撞击坑进行中型撞击坑定年方面的潜力.提出的撞击坑自动识别方法有望进一步拓展到更小撞击坑的识别,并迁移到月球其他地质单元乃至其他行星的研究中.

火星伊西底斯平原的壁垒撞击坑:遥感分析及环境启示意义

伊西底斯平原是中国首次火星探测任务"天问一号"的预选着陆区之一,地表广泛发育指纹地形和壁垒撞击坑。壁垒撞击坑具有一层或多层流态化的连续溅射物,一般被认为是地下富含水/冰的地层(以下简称"地下水冰层")与超高速撞击体作用的产物,是分析火星当前和过去地下水冰层的关键研究对象。基于高分辨率影像,本文采用影像解译、形貌分析、撞击坑统计定年等方法,开展了伊西底斯平原壁垒撞击坑的遥感综合分析。解译发现该平原目前共存在120个壁垒撞击坑,它们的最小直径为1.5 km,连续溅射物平均分布在撞击坑周围约1.3个半径范围之内,且外观不规则程度(弯曲度)高。采用撞击坑直径—频率分布定年方法确定了15个连续溅射物保存完整的壁垒撞击坑的绝对模式年龄(地质年龄),发现它们全部形成于亚马逊纪。根据连续溅射物与指纹地形的空间叠加关系,本文推断构成指纹地形的锥状物形成于2.38—3.24 Ga(早亚马逊纪)。它们更可能是大量岩浆流过湿润或冰冻地面时下覆(融化)水分迅速气化而发生爆裂并冲破岩浆形成的无根锥/伪火山口。根据撞击坑直径和挖掘深度之间的经验关系,本文揭示伊西底斯平原有利于形成壁垒撞击坑的地下水冰层的平均埋藏深度至少稳定保持在1 km,并可能因火星自转倾角周期性变化对气候的影响而发生0.1 km的小幅上升或下降。本文研究成果对于重建伊西底斯平原地下水冰环境演变历史具有重要科学意义,并有望得到中国"天问一号"巡视器和轨道器次表层探测雷达探测结果的验证。