張迅與，徐天奕，李翠

（1. 澳門科技大學 太空科學研究所，澳門 00853；2. 吉林大學 地球探測科學與技術學院，長春 130026）

0 引 言

“嫦娥4號”計劃在2018年實施發(fā)射，這將是世界首顆在月球背面著陸和巡視探測的航天器。“嫦娥4號”的預選著陸區(qū)是馮·卡門（Von Kármán）撞擊坑（圖1A：A為月海玄武巖充填的撞擊盆地），該地區(qū)屬于月球背面的南極–艾肯（South Pole-Aitken）盆地[1-2]。南極–艾肯盆地形成于月球的前酒海紀，直徑范圍約2 100～2 500 km，是月球上最大和最古老的撞擊盆地之一[1-3]。根據(jù)撞擊坑直徑與其最大挖掘深度的關系計算[4]，該盆地很可能已經(jīng)撞穿了下月殼并進入了上月幔[5]。

之前的遙感觀測結果顯示，南極–艾肯盆地內部的化學成分特征非常獨特。與月球的典型高地相比，南極–艾肯盆地富含鎂鐵質礦物（橄欖石/輝石），并且有較高的Fe和Th含量[6-10]。雖然該區(qū)域包含了幾個由月海玄武巖填充的盆地，但其鐵鎂質礦物的特征并非主要來源于月海玄武巖[6-7]。這些非月海的鐵鎂質地層通常被認為富含蘇長巖質物質（低鈣輝石）[6-7]，并且含有大約10 wt% FeO[9]。此外，基于Clementine，Kaguya和Moon Mineralogy Mapper（M3）等數(shù)據(jù)的觀測，在南極–艾肯盆地中還發(fā)現(xiàn)有一些小范圍分布的橄欖石，斜長石，尖晶石和非月海的高鈣輝石[5,7,11-13]。

有關南極–艾肯盆地的物質成分分布，以及盆地的形成和演化一直以來都是科學界研究的熱點和爭論的焦點[1-2,5-7,11-13]。此次“嫦娥4號”計劃著陸于馮·卡門撞擊坑，為近距離了解南極–艾肯盆地撞擊過程，月球撞擊歷史以及月球成分構造提供了機會。本文旨在通過綜合利用多種光譜數(shù)據(jù)，解析馮·卡門撞擊坑及其周邊區(qū)域元素含量（TiO2和FeO）和礦物成分（橄欖石/輝石）的分布，為“嫦娥4號”探測計劃的順利開展提供更多的技術支持。

1 光譜數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 地質單元的劃分

南極–艾肯盆地出露有大量的斜長石（斜長巖質物質），低鈣輝石（蘇長巖質物質）和橄欖石（橄長巖或純橄巖質物質）等礦物[6-7]。為了更精準的劃分馮·卡門撞擊坑及其周邊地區(qū)不同的地質單元，本文基于M3數(shù)據(jù)制作了“綜合吸收峰深度（Integrated Band Depth，簡稱IBD）”圖像[14-16]，來區(qū)分各單元的礦物成分差異（見圖1B，B為IBD圖像）。圖1B的IBD圖像是一個能反映月球含鐵礦物和太空風化作用變化的假彩色合成圖像[14,17-19]，其中紅色代表光譜的1 μm吸收特征，綠色代表2 μm吸收特征，而藍色代表光譜的反射率（1.5 μm）。斜長巖質礦物因為沒有較強的吸收特征（1 μm和2 μm吸收峰）而顯示藍色，富含鎂鐵質礦物的區(qū)域則顯示黃/綠色或橙/紅色，這些顏色的差異主要是由于各地區(qū)成分和風化強度的不同而導致的[14,17-19]。

圖1 馮·卡門撞擊坑區(qū)域地質概況Fig. 1 Geological background of theVon Kármán crater

1.2 鈦鐵含量估算

Clementine任務搭載的紫外/可見光（UVVIS） 相機，擁有0.4～1 μm的波段范圍以及100～300 m/pixel的空間分辨率，其數(shù)據(jù)常被用于反演估算全月球的TiO2和FeO含量[20-23]。該反演數(shù)據(jù)在本研究中被用來分析馮·卡門撞擊坑及其周邊地區(qū)TiO2和FeO元素的分布情況（見圖1C、圖1D，C為TiO2含量；D為FeO含量）。

1.3 礦物類型識別

M3數(shù)據(jù)具有較全的波段覆蓋范圍（0.43～3 μm）和較高的空間分辨率（140～280 m/pixel），是用來分析月球礦物成分的理想數(shù)據(jù)[14-19]。為了避免太空風化作用[24]，各單元的光譜數(shù)據(jù)都是從新形成的小撞擊坑中提取，來代表該地層的礦物成分[19,25]。根據(jù)Zhang等的研究方法[25]，本文測量了以下光譜參數(shù)來分析各單元的礦物變化，主要有1 μm吸收峰的中心位置（Band I Center），2 μm吸收峰的中心位置（Band II Center），以及2 μm和1 μm吸收峰面積的比值（Band Area Ratio，簡稱BAR）。其中，1 μm和2 μm吸收峰的中心位置可用來判斷輝石Fe2+和Ca2+含量的變化[26]，而BAR則指示了橄欖石與輝石的相對含量。由于橄欖石缺乏2 μm的吸收峰特征，所以BAR的值越小，橄欖石的含量就越高，反之亦然[27-28]。

2 研究結果

2.1 地質單元類型

圖1B的IBD圖像中，紅/黃色的區(qū)域常被解釋為比綠/藍色的區(qū)域富含更多的鐵鎂質礦物[14,17-19]。馮·卡門等幾個撞擊坑在IBD圖中顯示為黃色（圖1B中紅線所示），表明它們比周圍區(qū)域含有更多的橄欖石或輝石，綜合其較平坦地形以及較低反照率等特點（圖1A），可以認為它們屬于月海玄武巖質盆地。Lebnitz和馮·卡門撞擊坑以南，有局部區(qū)域顯示為藍色（圖1B），代表該地區(qū)缺乏鐵鎂質礦物，可能出露有富斜長石質地層。根據(jù)鐵鎂質礦物的相對含量，馮·卡門撞擊坑及其周邊地區(qū)可以簡單的劃分成3個地質單元，其一是馮·卡門，Lebnitz和Davisson等幾個富鐵鎂質礦物的月海盆地，其二是貧鐵鎂質礦物的局部地區(qū)，還有就是鐵鎂質礦物含量居中的其他非月海單元（Non-mare Units）。

2.2 TiO2和FeO含量分布

圖1C和1D分別展示了馮·卡門撞擊坑及其周邊地區(qū)TiO2和FeO含量的分布情況。相對于全月而言，該地區(qū)整體貧TiO2富FeO。馮·卡門等幾個月海盆地（圖1B中紅線所示），以及Finsen撞擊坑周圍的局部區(qū)域是TiO2和FeO富集程度較高的地區(qū)。其中馮·卡門撞擊坑內部主要的TiO2含量為1.5～2.5 wt%，主要的FeO含量在12～16 wt%，局部可達到3 wt%左右的TiO2和17～20 wt%的FeO。Lebnitz盆地是該地區(qū)面積最大且TiO2和FeO含量最高的區(qū)域，平均可達到2～5 wt%的TiO2和14～20 wt%的FeO。總體而言，這幾個月海盆地與低鈦玄武巖樣品的TiO2和FeO含量是基本一致的（TiO2一般＜6 wt%，F(xiàn)eO在20 wt%左右）[29-30]。而TiO2和FeO含量相對較低（TiO2＜1 wt%，F(xiàn)eO＜8 wt%）的地層，則主要分布在馮·卡門，Lebnitz和Alder盆地的南部地區(qū)，以及一些局部區(qū)域（圖1D中顯示青綠色的區(qū)域）。它們與高地斜長巖地區(qū)的土壤成分（一般TiO2＜1 wt%，F(xiàn)eO＜8 wt%）[29-30]相類似。至于其它非月海單元，TiO2含量大多在1 wt%左右，F(xiàn)eO含量大多在10 wt%左右。

2.3 礦物成分變化

1 μm與2 μm的吸收峰中心位置圖（見圖2）展示了天然與合成的斜方輝石（OPX），單斜輝石（CPX），以及易變輝石（PGT）的光譜特征[15,31-32]。主要比較了富鐵鎂質礦物的月海盆地和非月海地層的光譜特征，其中非月海單元的光譜參數(shù)落在了更靠近斜方輝石（相當于低鈣輝石）的一端，也就是說馮·卡門等幾個月海盆地的含鈣量比周圍的地層更高。在BAR與1 μm吸收峰中心位置圖中（見圖3），馮·卡門等幾個月海盆地的光譜參數(shù)落在了代表橄欖石（OL）和輝石混合為主要成分的區(qū)域，而非月海單元的光譜參數(shù)落于代表斜方輝石為主要成分的位置。這說明馮·卡門等幾個月海盆地比周圍單元有更高的橄欖石含量。

圖2 吸收峰中心位置圖Fig. 2 Band center plot

圖3 吸收峰面積比值與1 μm吸收峰中心位置圖Fig. 3 The plot of BAR versus Band I center

3 討 論

馮·卡門等幾個月海盆地內部貧TiO2（約1～5 wt%）富FeO（約12～20 wt%），且富含鎂鐵質礦物（橄欖石和輝石），因此可以認為其主要的巖石類型為低鈦玄武巖。月海盆地以外的地層（非月海單元）也富含一定的鎂鐵質礦物（以低鈣輝石為主），并含有約1 wt%的TiO2和10 wt%的FeO，故可解釋為主要是蘇長巖質的特征。由于斜長石光譜的吸收鋒較弱，即使出現(xiàn)很少量的輝石，也會掩蓋其吸收特性[33-34]。因此，某些富含斜長石特征的區(qū)域，例如，馮·卡門，Lebnitz和Alder盆地以南出露的TiO2和FeO含量較低（TiO2＜1 wt%，F(xiàn)eO ＜8 wt%），且鎂鐵質礦物不豐富的局部區(qū)域，則可以被解釋為富含斜長石的地層。

4 結束語

本文通過解譯多種光譜數(shù)據(jù)，分析了馮·卡門撞擊坑及其周邊地區(qū)TiO2和FeO含量以及鐵鎂質礦物的分布情況，并推斷了各地質單元的主要巖石類型。馮·卡門等幾個月海盆地內部整體貧TiO2（約1～5 wt%）富FeO（約12～20 wt%），主要為低鈦玄武巖。非月海單元的地層則以蘇長巖質物質（低鈣輝石）為主，并含有約1 wt%的TiO2和10 wt%的FeO。此外，還有一些富斜長石的地層出露在馮·卡門，Lebnitz和Alder盆地以南的局部區(qū)域。此次“嫦娥4號”計劃著陸于馮·卡門撞擊坑，為就位探測南極–艾肯盆地的物質成分，以及研究盆地形成和演化提供了難得機會。希望本研究能為“嫦娥4號”未來的探測任務提供支持。

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