月球新鲜撞击坑石块分布研究

申报人：陈鹃申报日期：2025-01-04

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

月球新鲜撞击坑石块分布研究学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

理学

所属专业类:

物理学类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

月球表面的撞击坑是其地质历史的关键记录，而撞击坑石块蕴含着丰富的信息，对揭示月球的撞击过程、地质演化及表面环境变化意义重大。过去研究已涉及石块分布的部分方面，但仍存在诸多待深入探究之处，例如尚不明确撞击坑石块的初始大小频率分布与石块如何影响撞击坑统计定年。本项目旨在全面深入地研究月球新鲜撞击坑石块分布，以填补现有研究的空白，从而提升对月表演化的认识。

负责人曾经参与科研的情况:

（1）在中学阶段参与了小型研究项目，如研究本地岩石的风化过程或模拟天体撞击实验（虽然是简化的模型）。在这些项目中，学生学会了如何提出研究问题、设计实验方案、收集和分析数据以及得出结论。例如，在研究岩石风化过程中，观察不同环境条件下岩石的变化，记录数据并分析其风化速率和影响因素，这一过程培养了学生的科学研究方法和实践能力，为参与月球新鲜撞击坑石块分布研究提供了初步的科研经验。

（2）本人及团队参与了天文观测项目，通过使用望远镜观测月球、行星等天体，记录观测数据并分析其表面特征变化。虽然这些观测主要是基于肉眼可见的宏观特征，但学生在数据记录和分析过程中培养了严谨的科学态度和对天文现象的观察力，为在研究月球撞击坑石块分布时对图像数据的分析和解读积累了一定的经验，能够更好地从观测数据中发现问题和规律。大一新生在参与月球新鲜撞击坑石块分布研究之前，通过多种途径积累了一定的相关知识和技能，并在科普创作、学科竞赛和小型研究项目等方面取得了一些成绩。这些积累和成绩为他们在大学阶段深入参与该项目研究提供了良好的起点和基础，有助于他们在后续的学习和研究中更好地发挥潜力，取得更多的研究成果

指导教师承担科研课题情况:

1.国家自然科学基金面上项目：月球简单撞击坑非线性退化与近地小天体反演的研究，（2022－2025），主持。

指导教师对本项目的支持情况:

（1）提供理论与观测指导。

（2）提供技术指导（包括指导研究方法，培养数据收集、分析和处理的能力等）。

（3）指导论文写作。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	陈鹃	地球科学学院	勘查技术与工程	2023	数据分析	第一主持人
2	张佳	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2024	数据分析	成员
3	陆忠鸿	材料科学与工程学院	材料类	2024	数据分析	成员
4	杨镇珲	材料科学与工程学院	材料类	2024	项目总设计、规划、执行	成员
5	李富华	材料科学与工程学院	材料类	2024	石块观测	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	谢明刚	物理与电子信息工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

1.揭示撞击坑石块大小频率分布演化过程

通过精确观测并分析石块的数量密度、形状特征等，约束撞击坑石块的初始大小频率分布（包括其对撞击坑大小的依赖关系）。再结合已知年龄撞击坑石块的分布规律，揭示撞击坑石块大小频率分布随时间的演化，从而约束月表侵蚀速率

2.完善月球年代学体系

基于观测的石块空间分布特征与撞击坑密度的关系，改进月球撞击坑统计年代学。改进现有的基于撞击坑计数等传统方法的不足，建立更准确可靠的月球年代学模型，提高对月球地质单元形成时间和演化序列的测定精度，为整个太阳系的年代学研究提供重要的对比标准和参考依据。

研究内容:

（一）石块形状特征研究

1.采用高分辨率的月球影像数据（如月球勘测轨道飞行器窄角相机观测的影像数据），对不同直径新鲜撞击坑石块形状进行精确测量和分类，包括椭圆度、长宽比等参数的测定。

2.综合考虑撞击参数（如撞击速度、角度、挖掘深度等）、基岩性质等因素，建立数学模型解释石块形状特征的形成原因及其随时间的演变规律。

（二）撞击坑石块大小频率分布（初始状态）研究

1.分析研究撞击坑及其周边区域内，不同大小石块的数量占总石块数量的比例关系，以及分析其对研究撞击事件的能量、撞击体的性质、以及撞击后的地质演化过程等的意义。

2综合分析研究石块分布的影响因素(如撞击体特性、目标体性质等)，从而分析得出石块大小频率分布规律。

（三）撞击坑石块空间分布范围

1.对比研究石块空间分布范围的动态变化，分析其短期和长期变化的分布范围规律，以及月球撞击坑长期演化过程。

2.综合考虑诸多石块空间分布范围的影响因素（撞击体特性、目标天体特性等），研究分析其分布范围对于撞击事件的能量、撞击体的性质以及撞击后的地质演化过程的影响。

国、内外研究现状和发展动态:

国外研究团队利用月球勘测轨道飞行器（LRO）等获取的高分辨率图像，对多个月球撞击坑进行了石块计数和分析。例如，Basilevsky 等人在早期研究中初步探讨了小尺寸撞击坑（<1km）边缘石块数量与坑年龄的关系，发现石块数量随坑年龄增长有减少趋势，但样本量有限且研究不够系统。后续研究不断扩大样本范围，如 Li 等人的研究涵盖了 7 个直径 200m - 1km 的撞击坑，详细统计了不同年龄撞击坑的石块数量密度，并发现月海和高地撞击坑的石块密度与年龄关系存在差异，月海撞击坑石块密度总体较高且随年龄变化规律不同于高地撞击坑，同时提出了相应的定量关系模型，但模型在大尺寸撞击坑（>1km）的适用性方面仍存在疑问，需要进一步验证和完善。

未来研究趋势是整合多种数据源，包括不同轨道器（如 LRO、未来的月球探测任务等）获取的图像数据、实地探测数据（如采样分析结果）以及地球观测数据（用于对比研究等），进行综合分析。通过融合多源数据，可以更全面地获取月球撞击坑石块的各种信息，如石块的矿物成分（结合光谱数据）、内部结构（结合雷达数据等）以及其与周围地质环境的关系，从而建立更准确的石块分布模型和演化理论。

利用机器学习和人工智能技术对海量图像数据进行自动识别和分析，提高石块特征提取的效率和准确性，例如更精确地识别石块形状、自动分类不同类型的石块等，为深入研究提供更丰富的数据基础，推动对月球撞击坑石块分布规律的认识从定性描述向定量分析转变。

撞击坑关于撞击坑喷出物的研究，国外学者关注喷出物的岩石成分、粒度分布及其随时间的变化，通过对岩石破碎过程和速率的研究，揭示了月球表面地质作用的机制和历史。例如，Ghent 等人（2014，2016）利用热红外测量数据推断大直径（~18 - 100 km）月球撞击坑喷出物中石块的分解速率，进而估算撞击坑的年龄；Fassett、Minton 等人（2018）则通过雷达数据研究发现，月球撞击坑内部的岩石含量在其生命周期的前 0.5 Gyr 内增加，而表面和近地表岩石由于空间风化作用而减少。

当前，国外在月球探测和撞击坑研究方面处于领先地位，拥有先进的探测器技术和丰富的数据资源，在基础研究方面取得了众多成果。中国在月球探测工程方面取得了长足进步，积累了大量自主数据，相关研究也在不断深入，在国际合作中逐渐发挥重要作用。未来，随着技术的不断发展和研究的持续深入，国内外在月球科学领域的研究有望取得更多突破，进一步揭示月球的奥秘。

创新点与项目特色:

以往对月球撞击坑的研究往往涵盖了不同年龄阶段的撞击坑，时间跨度较大。而本研究专门聚焦于最新鲜的撞击坑，撞击坑所受后期改造作用微小，能够更直接地反映出撞击瞬间及之后短期内月球表面的地质变化过程，为研究月球近期的地质活动提供了独特视角。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（四）技术路线、拟解决的问题及预期成果 summernote-img

拟解决问题：

（一）石块挖掘效率与撞击坑大小的关系。通过对不同大小撞击坑石块的观测，约束撞击坑石块密度与撞击坑大小的关系，从而约束撞击挖掘石块的效率。

（二）石块存在时小撞击坑形成效率。通过撞击坑溅射毯上石块与撞击坑的观测，约束撞击坑密度与石块密度的关系，从而约束撞击成坑效率。

预期成果：

1.建立完善的石块分布关系模型

构建石块数量密度与撞击坑年龄、基岩性质之间精确的定量关系模型，明确各因素对石块分布的影响程度和作用机制，为月球撞击坑演化研究提供有力的理论工具。该模型将能够准确预测不同年龄和地质背景下撞击坑石块的数量密度分布，加深对月球表面地质过程的理解。

2.揭示石块形状特征形成理论

提出石块形状特征形成的综合理论，阐明撞击参数、基岩性质和空间侵蚀等因素在石块形状形成和演化过程中的作用机制，以及它们之间的相互关系。通过建立数学模型和物理模拟，能够解释不同类型撞击坑抛射石块形状的多样性和规律性，为月球地质动力学研究提供新的理论依据。

3.发表一篇高水平学术论文

在国际知名学术期刊上发表一篇高质量的研究论文，详细阐述本研究在月球撞击坑石块分布研究方面的创新成果和重要发现。这些论文将涵盖石块分布规律、形状特征形成机制、年代学测定方法改进以及月球表面环境作用机制等多个方面，展示我国在月球科学研究领域的研究水平和创新能力，提升我国在国际月球科学研究领域的学术地位和影响力。

项目研究进度安排:

（五）项目研究进度安排

本次项目的研究将分为五个阶段，以下为项目研究进度安排：

第一阶段（2024年11月至2024年12月）：组建团队，团队成员与指导老师讨论所要研究课题，并确定课题，撰写申报书。

第二阶段（2024年12月至2025年02月）：通过大量阅读撞击坑石块研究的文献，时刻跟踪石块研究的最新进展。组内成员之间相互交流、讨论，并采用电话、QQ、微信和面对面交流等方式多与指导老师进行交流自己的想法。组内成员通过自学、网上查询和向指导老师请教的方法。

第三阶段（2025年02月至2025年05月）：与指导老师进行交流做观测，开始项目的研究。

第四阶段（2025年05月至2025年08月）：团队成员对本次项目的研究进行反思、评价，通过多种渠道与指导老师进行交流。根据观测结果撰写论文。

第五阶段（2025年08月至2025年12月）：与指导老师进行成果交流，对研究成果进行总结，组内进行评估，并进一步挖掘并完善课题，准备结题、论文答辩等工作。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

（六）已有基础

1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法

[1]已具备的条件

（1）在中学阶段的物理、化学、生物等实验课程中，学生学习了实验仪器的基本使用方法、实验数据的测量和记录以及实验误差的分析等技能。例如，在物理实验中使用天平测量物体质量、使用游标卡尺测量长度，这些测量技能可以迁移到对月球石块样本（如果有机会接触到模拟样本或相关实验）的尺寸测量中。。

（2）部分学生可能参加过学校组织的科技创新活动或课外实验小组，在这些活动中进一步锻炼了动手能力和解决实际问题的能力。例如，参与制作简单的物理模型或进行小型科学探究实验，培养了学生设计实验、实施实验和改进实验的能力，为参与月球撞击坑石块分布研究中的实地观测、模拟实验（如果有条件开展）等实践活动积累了一定的经验。

（3）通过日常学习和生活中的观察活动，学生具备了一定的观察能力。在地理野外考察（如果有相关经历）或对自然现象的观察中，学会了观察地形地貌、岩石特征等，并尝试分析其形成原因。这种观察与分析能力在研究月球撞击坑石块分布时同样重要。

（4）在学习过程中，学生也经常进行数据分析和图表解读。例如，在分析历史数据、地理统计资料等时，学会了从数据中提取信息、发现规律，并通过绘制图表（如柱状图、折线图等）来直观展示数据变化趋势。这些技能在处理月球撞击坑相关数据（如石块数量密度随撞击坑年龄的变化数据）时能够发挥作用，帮助学生更好地理解和解释数据背后的科学意义，为深入研究月球撞击坑石块分布提供数据分析支持。

[2]尚缺少的条件及解决方法

目前尚缺少对月球科学研究的整体认识与尚未掌握石块观测方法。对于前者，拟通过大量阅读资料（包括相关书籍与科研论文）。对于后者，通过阅读相关论文与请教指导老师学习并掌握观测方法。V

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	3000.00	无	600.00	2400.00
1. 业务费	3000.00	参加学术会议交流学术成果	600.00	2400.00
（1）计算、分析、测试费	0.00	无	0.00	0.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	3000.00	参加学术会议交流学术成果	600.00	2400.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	0.00	无	0.00	0.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	0.00	无	0.00	0.00

结束