地质地球所研究揭示嫦娥四号红外成像光谱地面验证实验对月球spa表面物质组成的约束
来源：地质与地球物理研究所|发布时间：2022-05-26|【 】
玉兔二号巡视器已在月球表面工作了超过40个月昼，其搭载的红外成像光谱仪（vnis）随着巡视器的行走路线已测得多个位置的红外成像光谱数据。vnis 是用于研究着陆区月壤和月表岩石成分并追溯其来源的主要方法。然而，太空风化、颗粒大小与多次散射、仪器的光谱响应和观测条件等因素都会影响光谱特征，并导致由月球表面光谱数据计算得到的矿物成分存在很大不确定性。
为了定量评估不同 vnis 数据处理方法的可靠性，中国科学院地质与地球物理研究所博士生常睿在导师研究员、副研究员的指导下，选择了一块矿物组成与月球高地岩石相似的苏长-辉长岩进行光谱地面验证实验（图1）。
图1（a）嫦娥四号第3月昼探测的月表岩石图像；（b）月表岩石的光谱探测状态（黄色圆圈代表近红外波段光谱探测视场）；（c）本研究地面验证实验使用的岩石（cr-1）
地面验证实验研究的岩石（cr-1）由扫描电镜测得其实际矿物模式含量为12.9%橄榄石、35.0%辉石和52.2%斜长石。为了更准确计算cr-1的光谱结果，研究者将cr-1中的橄榄石、低钙辉石、高钙辉石和斜长石从岩石样品中研磨并分选出来，由地物光谱仪（terraspec-4，asd）测得各单矿物的可见-近红外光谱结果（如图2a），单矿物均具有各自的光谱吸收特征。
图2 （a）cr-1中单矿物可见-近红外光谱；（b）嫦娥四号第3月昼所测岩石与cr-1的vnis测得光谱
由vnis鉴定件测得的cr-1的光谱在971（±1）nm和1957（±8）nm波段处表现出明显的吸收特征（图2b）。这一吸收特征与玉兔二号巡视器上vnis在第3月昼探测到的岩石的吸收特征相似。cr-1的vnis光谱用hapke模型计算出样品中矿物模式含量为7.5%橄榄石、39.3%辉石和53.2%斜长石，与其真实结果在误差范围内一致。
根据该研究中的数据处理方法并结合yang et al.(2020)对嫦娥四号月表数据的光度校正，玉兔二号巡视器在第3月昼探测到的岩石更准确的矿物模式含量应为11.7%橄榄石、42.8%辉石和45.5%斜长石。巡视器在第26月昼又发现一块状月表岩石，其光谱吸收特征与第3月昼发现岩石的类似，其中矿物模式含量为3.2%橄榄石、24.6%辉石和72.2%斜长石。
两月表岩石在“斜长岩-苏长岩-橄长岩”（anorthosite-norite-troctolite, ant）体系中均属于苏长岩范畴（图3）(heiken g, 1991)。这意味嫦娥四号着陆区月壤下的岩层主要为ant岩石。玉兔二号巡视器在第26月昼探测到的岩石含有更多的斜长石，且更接近平均月壳的矿物组成。
图3 嫦娥四号测得月表岩石中橄榄石-辉石-斜长石矿物组成分布（heiken g, 1991）。图中标注了月球样品采样点，例如：a-11是apollo 11，l-16是luna 16，(h)和(m)分别表示高地和月海月壤
综上所述，嫦娥四号着陆区域的月球表面存在苏长质和斜长质的石块，分别代表了撞击熔融池中快速结晶形成的物质与平均月壳的成分。一方面，有撞击事件将月壤下伏层位物质挖掘至月球表面，这些被挖掘出来的物质具有南极艾特肯盆地（the south pole aitken, spa）熔融池结晶深成岩的特征。另一方面，形成于spa大撞击事件前的初始月壳物质也可以保留在spa中。
研究成果发表于国际学术期刊 remote sensing（常睿，*，，徐睿，，王蓉，. lunar terrestrial analog experiment on the spectral interpretations of rocks observed by the yutu-2 rover [j]. remote sensing. 2022, 14, 2323. ）。研究受中科院战略性先导专项（xdb 41000000），中科院重点部署项目（zdbs-sswjsc007-15），中科院创新交叉团队，国家航天局民用航天预先研究项目(no. d020203)以及中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（no. iggcas-202101）的资助。
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