月球矿物和水冰光谱实验室模拟及遥感应用
月球表面及内部的化学和矿物组成是理解月球岩浆洋演化尤其是早期月壳和月幔形成历史的关键。南极艾肯(SPA)盆地(直径超过2500km)是月球最大、最古老的撞击盆地。已有研究指出SPA盆地撞击很可能穿透了月壳，并挖掘出了月球深部（下月壳乃至上月幔）的物质。嫦娥四号在月球背面SPA盆地中冯·卡门撞击坑的成功着陆为我们深入研究月球深部物质组成信息提供了重要机遇。根据“玉兔二号”搭载的可见近红外成像光谱仪（VNIS）数据，针对着陆区的矿物模式组成，不同的研究者通过Hapke辐射传输模型、修正高斯模型等计算得到了不同的解译结果:有研究认为该区域物质成分源自富含橄榄石和低钙辉石的月幔，而其他研究认为源自富含低钙辉石和斜长石的撞击熔融体。因此，嫦娥四号着陆区矿物组成模式（橄榄石、低钙辉石、高钙辉石、斜长石含量）的准确反演成为当前嫦娥四号光谱数据解译的关键，对于认识SPA盆地月球深部物质的起源和岩浆演化过程意义重大。 本文根据多波段成像仪(MI)光谱数据遥感解译的嫦娥四号着陆区矿物组成和含量信息，利用低钙辉石(LCP)、高钙辉石(HCP)、橄榄石(OL)、斜长石(PL)为端元矿物配制10种实验室模拟月球矿物混合样品（以下简称“月球模拟样品”）。采用便携式地物光谱仪(ASD)和嫦娥四号VNIS备份样机分别测量了月球模拟样品实验室反射光谱，建立了一套系统的针对嫦娥四号着陆区的实验室光谱数据库，用于评估VNIS光谱仪的仪器性能以及约束嫦娥四号着陆区的物质组成。研究发现，实验光谱参数法解译月球模拟样品光谱数据，揭示橄榄石矿物在混合矿物中的比例可以采用波段积分面积比(BAR)进行有效约束;获得了修正高斯模型(MGM)解算的高钙辉石(HCP)和低钙辉石(LCP)吸收强度比(HCP/LCP)用于预测矿物质量比的公式;基于实验光谱数据的MGM矿物解混，获得了对后续着陆区VNIS光谱解译参数的约束，并发现MGM光谱解混计算橄榄石(OL)的相对含量下限为15％(HCP+LCP+OL=100％);Hapke辐射传输模型的单次散射反照率(SSA)拟合得到的HCP/LCP与实验室配置的HCP/LCP的质量比存在较好的线性关系。将以上实验光谱数据应用于VNIS实测数据，利用MGM获得了前16月昼光谱数据的HCP/LCP范围为0.60～0.66，橄榄石含量在35％～40％之间;Hapke辐射传输模型对于嫦娥四号石块光谱的解译结果为HCP/LCP为0.66。 月球极区永久阴影区(PSR)水冰的赋存形式以及水冰的含量一直是极区水冰探测的难题，也将是我国后续月球探测的重要科学目标之一。由于极区永久阴影区光线较弱，以月船一号月球矿物绘图仪(M3)数据为例，探测器收集到的反射光信号十分微弱，信号质量较差，而激光探测数据虽然不依赖于太阳光源但只能反映某一波段(1064nm)的反射光谱信息，不能提供完整的水冰光谱信息，这为极区水冰的探测带来了困难，极区水冰探测的结果仍有待实验研究的佐证。为了能够更好地约束研究月球极区水冰的赋存形式和含量，为下一步极区探测提供实验依据，进行一系列的月球极区水冰光谱的模拟实验是十分有必要的。因此，本文对月球极区PSR水冰的赋存形式进行了定量化研究，在低温环境下(约80K)制备了五种粒径不同的水冰并与辉石矿粉进行了不同形式以及不同质量比例的混合，利用ASD光谱仪获得了不同赋存形式下水冰的反射光谱库。经与月球极区永久阴影区水冰M3遥感探测光谱进行对比，初步分析认为极区水冰的赋存形式主要为粒径范围为100～300μm之间的以水冰光谱为主导的水冰与月壤的混合物，为极区水冰的存在形式提供了一定的实验制约。
月球矿物;反射光谱;月球极区永久阴影区;水冰赋存状态
山东大学
硕士
空间物理学
凌宗成
2020
中文
P184
2020-10-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）