双层溅射席撞击坑年代学特征对火星中纬度冰期及倾角变化的启示

火星中纬度地区广泛分布的非极地冰缘地貌（如相互叠加的粘性流特征、升华凹陷等）强烈暗示着该地区曾经历过多阶段性的“中纬度冰期事件”（Mid-latitude Ice Ages）。目前学界普遍认为，这些冰期旋回事件是由火星自转轴倾角（obliquity）在地质历史中发生的强烈周期性振荡所驱动的（倾角变化范围约为10°–60°，最大可达80°）。倾角的变化通过调控太阳辐射量在火星表面的纬度分布，进而引发地表水冰的大尺度迁移与重分布，成为火星气候变化的主要外部驱动机制（类似地球的米兰科维奇理论），这一观点已得到火星轨道动力学与气候模拟研究的有力支持。

然而，尽管地貌学证据清晰且理论模型一致，但中纬度冰期在火星地质历史中具体的发生时间、持续时长以及演化节律仍缺乏定量约束，制约了我们对火星气候系统演化机制的深入理解。针对这一关键科学问题，中国科学院国家空间科学中心科研团队联合布朗大学，以中纬度冰期的典型产物——双层溅射席（Double Layered Ejecta, DLE）撞击坑（图1a-c）为研究对象，系统开展了撞击坑统计年代学分析。研究结果揭示火星在过去约35亿年间经历了多次非连续的中纬度冰期旋回事件，其年代分布与轨道动力学模型预测的倾角变化高度吻合，为厘清火星近地表水冰演化与轨道倾角周期性变化之间的耦合关系提供了重要的观测证据和定量约束。

图1.（a–c）火星表面典型DLE撞击坑示例；（d）火星DLE撞击坑的全球空间分布图，其中黑点表示已识别的所有DLE撞击坑，白点代表本研究中选取用于年代学分析的142个样本；（e）DLE撞击坑的纬度分布统计图，展示其在不同纬度带的空间分布特征及聚集趋势。

DLE撞击坑是火星上一类典型的层状溅射席撞击坑，其溅射席呈现双层结构，内层明显覆盖于外层之上。该类撞击坑主要分布在火星中纬度地区（图1d），其溅射席表面常见放射状线性沟槽。DLE撞击坑的双层溅射结构及纬度聚集特征（图1e）最近被认为与火星高倾角时期近地表富冰基质的存在密切相关，因此被视为识别火星中纬度冰期旋回事件的重要地貌指示物（图2）。

图2.火星DLE撞击坑形成与自转轴倾角变化相关的近地表富冰沉积物分布模式示意图。图中橙色表示火星表面或近地表的干旱区域，白色表示富含水冰的区域，二者之间的颜色渐变反映了冰含量在空间上的分布梯度。（a）在高倾角阶段（约35°）时，水冰在中纬度地区保持稳定，为DLE撞击坑的大量形成提供了有利条件；（b）在低倾角阶段（约25°，即当前），地温变化导致中低纬近地表水冰不稳定，水冰主要在极地附近稳定存在。然而，部分水冰沉积物（如LDM及其他冰质物质）由于升华滞后效应而仍能在一定时期内支撑DLE撞击坑的形成（主要分布于高纬度地区，且其规模显著减小）。

基于图2所示的理论模型（火星轨道倾角的周期性变化通过调控地表水冰的空间分布进而影响DLE撞击坑的形成条件），本研究开展了定量化的年代学研究以检验该机制的地质记录。具体而言，我们利用火星侦察轨道器（MRO）搭载的CTX相机获取的高分辨率影像（空间分辨率约6 m/pixel），在火星中纬度地区（30°–60°）随机选取了142个DLE撞击坑样本，开展了系统的撞击坑统计定年分析。结果表明，这些DLE撞击坑的绝对模式年龄（Absolute Model Ages, AMAs）分布范围从约4.5 Ma至3.5 Ga，覆盖了西方纪以来的多个地质时期，且呈现出明显的时间聚集特征。为进一步揭示这些年龄的潜在聚类模式，本文引入非参数统计方法——核密度估计（Kernel Density Estimation, KDE），对年龄数据进行了建模分析，识别出若干具有统计意义的“显著峰”信号（图3）。我们认为这些峰为火星中纬度地区经历高倾角时，近地表富冰地层稳定存在并形成DLE撞击坑的关键气候窗口，反映出多个时期的中纬度冰期旋回事件。这些年龄峰不仅与轨道动力学模型预测的高平均倾角阶段高度吻合，也得到了其他冰川地貌与基座撞击坑（pedestal craters）定年研究的有力支持。特别是，我们的定年结果显示最年轻的DLE撞击坑年龄约为4.5 Ma，恰对应模型预测的约3–5 Ma间火星轨道由高倾角（约35°）向低倾角（约25°）过渡时期，这一结果可能标志着中纬度地区富冰层广泛稳定分布的终结。此外，研究还发现，DLE撞击坑的形成年代并未表现出明显的周期性分布特征，反而揭示出火星轨道倾角在更长时间尺度上可能呈现非周期性的演化趋势。这一结果为识别火星气候演化历史中可能存在的间冰期演化规律提供了间接证据，并为深入探讨火星古气候演化的复杂性与多样性提供了重要线索。

图3.不同带宽条件下DLE撞击坑绝对模式年龄的KDE分析结果。（a）合并南、北半球样本的KDE结果；（b）南北半球DLE撞击坑绝对模式年龄的独立KDE对比分析。

本研究构建了全球尺度的DLE撞击坑年代序列及其统计分布特征，建立了用于重建火星中纬度冰期演化历史的系统年代学框架，突破了传统地貌解译在冰期时序量化方面的限制。该成果不仅为火星中纬度地区水冰的时空演化提供了关键的定量时间约束，也为理解轨道倾角强迫机制驱动下的火星古气候周期变化提供了重要的地貌与年代学证据。通过揭示中纬度冰期的发生时序与轨道演化的高度耦合关系，本研究对深化认识火星气候演化机制、重建其水环境历史、以及评估未来火星宜居性演化潜力均具有重要意义。

该项工作以“Recurring Ice Ages at Martian Mid-latitudes Evidenced by Characterizing Double Layered Ejecta (DLE) Craters”为题发表在JGR-Planets上，论文第一作者为中科院国家空间科学中心的牛胜利特别研究助理，通讯作者为张锋研究员，合作者包括郭弟均副研究员、刘洋研究员和邹永廖研究员。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和空间中心“攀登计划”等项目的联合资助。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1029/2024JE008883

作者：张锋

编辑：李婧

审核：李阳

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