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撞击坑形成机制及数值模拟

岳宗玉  
【摘要】:撞击坑是月球与类地行星表面的一种最常见的地质现象,它与其它地质现象关系密切,是研究行星地质学的一把钥匙,在行星地质学研究中具有重要的地位。影像解译、物理实验与数值模拟是研究撞击坑的三种主要方法,其中数值模拟以其成本较低、可实现条件范围较广而逐渐成为研究撞击坑形成过程的一种主要方法,是目前研究撞击坑形成机制的重要手段。撞击坑形成过程数值模拟的基本原理是用离散方法描述物质在高速撞击作用下的运动及状态,在模拟中首先将物质与空间划分成离散的网格,在每一次迭代计算中逐步求解各个网格的形变、运动与状态改变的规律。研究撞击坑形成机制的理论基础是经典物理理论,它包括牛顿第二定律(F=ma)、物质的连续介质模型以及物质的热力学状态方程,在进行数值模拟时,各网格单元物质的运动与状态的变化严格遵守这些物理规律。牛顿运动定律以偏微分方程的形式贯穿在离散化的网格空间中,规定了离散网格的运动状态:物质的连续介质模型用来描述物质对外部压力的反应,其在数值模拟中的核心应用通过应力与应变的关系得以实现,目前在撞击坑数值模拟中已经应用的物质力学模型包括破裂模型、强度模型、热软化模型、孔隙模型、声速流动模型等;而热力学方程则通过其它热力学参数计算网格单元内物质的压强与物质所处的状态,其作用是计算由于网格单元体积的改变引起的压强梯度以及物质内能的变化,并判断物质相态的改变,另外结合前述的物质连续介质模型判断网格单元内是否有孔隙压缩、产生破裂等,并据此判断物质的强度变化,它在撞击坑数值模拟中具有核心作用。根据上述数值模拟的原理与理论基础,我们研究了哥白尼撞击坑中央丘橄榄石的起源,以及以岫岩撞击坑为研究对象综合分析了小型撞击坑中撞击熔岩的分布。

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