李曉芃，陳建平，王　翔，3

(1.地質(zhì)出版社，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；3.北京新興華安智慧科技有限公司，北京 100070)

月球表面的巖石主要包括斜長(zhǎng)石、輝石、橄欖石、鈦鐵礦等一系列物質(zhì)[1]，月表礦物波譜特征解釋來(lái)源于礦物的物理屬性[2]，礦物組分的波譜特征直接被自身化學(xué)和礦物組分所體現(xiàn)[1],大量的基于伽馬射線、X射線和高光譜數(shù)據(jù)的遙感技術(shù)被用于研究月表礦物和化學(xué)信息。McCord等[3]和Blewett等[4]利用高波譜分辨率的地基望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)UV-VIS-NIR波譜范圍對(duì)月表礦物的主要診斷吸收位置進(jìn)行研究。Shkuratov等[5]指出如果準(zhǔn)確的分析來(lái)源于UV-VIS波譜與礦物組分之間的關(guān)系，那么樣品點(diǎn)所代表的區(qū)域地質(zhì)及非樣品來(lái)源的巖石類(lèi)型可能被推算。對(duì)于月表的礦物與元素分布研究，前人采用Clementine數(shù)據(jù)，形成相關(guān)的角度參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)上述阿波羅取樣點(diǎn)的含量與對(duì)應(yīng)角度之間確實(shí)有很好的相關(guān)性[6-7]；利用波譜UV-VIS比值與TiO2含量之間建立了很好的相關(guān)性[8-9]；月表礦物元素分布于月球，成因與演化有著必然的聯(lián)系，理解月球需要知道月球礦物學(xué)及月表巖石結(jié)構(gòu)，理解巖漿洋假說(shuō)與撞擊坑的演化，需要探索斜長(zhǎng)石與鎂鐵質(zhì)礦物的分布，而高鈣輝石與TiO2分布可以指示月海玄武巖的起源。本文依據(jù)嫦娥IIM數(shù)據(jù)的譜段設(shè)置與月表礦物元素的吸收特征，借鑒Clemnetine和伽馬射線譜儀對(duì)月表探測(cè)結(jié)果，采用統(tǒng)計(jì)法與成熟度角度法對(duì)月表FeO、Al2O3的分布進(jìn)行反演。

1　月表礦物波譜特征與嫦娥IIM數(shù)據(jù)

月表巖石主要由輝石、斜長(zhǎng)石、橄欖石、鈦鐵礦及熔融玻璃等組成。月海與月陸巖石主要區(qū)別在于月海富集Fe、Ti元素，KREEP巖分布在月海玄武巖區(qū)域內(nèi)；而月陸富含Al、Ca等元素。在美國(guó)的Clementine衛(wèi)星發(fā)射前，對(duì)月表的遙感探測(cè)識(shí)別主要依靠天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)[10]。McCord等[3]利用硅光導(dǎo)成像系統(tǒng)結(jié)合地面望遠(yuǎn)鏡采用波段比值0.40/0.56 micrometer和0.95/0.56 micrometer方法對(duì)月球正面50%的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)一處與周?chē)嬖陲@著差異的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造單元。此后，科研人員采用多種方法通過(guò)近紅外的光譜特征來(lái)研究月表的礦物構(gòu)成，Hapke等[11]在行星科學(xué)外延提出了雙向反射理論。1994年Clementine發(fā)射成功后，其UV/VIS/NIR等波段影像常被用來(lái)做月表的礦物解譯，Elphic對(duì)比Clementine和Lunar Prospector獲取的月表數(shù)據(jù)，繪制全月Ti元素和Fe元素的分布圖；Lucey等[7]通過(guò)Clementine數(shù)據(jù)對(duì)月表的TiO2、Th、FeO等礦物及元素進(jìn)行研究并繪制全月分布圖；Lucey等[13]應(yīng)用兩種不同的算法對(duì)月球的阿里斯塔克高原進(jìn)行區(qū)域礦物填圖[11]；Lucey[14]利用Clementine的UV/VIS數(shù)據(jù)做出全月表區(qū)域的橄欖石、斜長(zhǎng)石、輝石等多種礦物；Mccord等[3]在2007利用影像繪制了長(zhǎng)石類(lèi)礦物(鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石)的波譜曲線；Kramer等[15]通過(guò)Clementine和Lunar Prospector數(shù)據(jù)對(duì)月球表面的富鋁(high-Alumina，HA)月海玄武巖進(jìn)行研究；閆柏琨等[10]基于O75R-模型與光譜線性分解的礦物提取方法利用Clementine數(shù)據(jù)提取月表單斜輝石、斜方輝石、橄欖石、斜長(zhǎng)石及鈦鐵礦等五類(lèi)主要礦物的體積百分含量分布，并基于阿波羅探月任務(wù)帶回的月巖及月壤礦物分析數(shù)據(jù)對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

來(lái)自于美國(guó)布朗大學(xué)的RELAB光譜庫(kù)光譜有兩種輝石LS-CMP-009(單斜輝石)LS-CMP-012(斜方輝石)依據(jù)光譜圖[16]，輝石在1.0 μm附近和1.8～2.4 μm兩位置有強(qiáng)譜帶，這正是典型富鐵正輝石特征的二價(jià)鐵離子雙譜帶；斜長(zhǎng)石為L(zhǎng)S-CMP-011、LS-CMP-004為Apollo17和Apollo15樣本，有其波譜在1.25 μm附近的寬譜帶，它也應(yīng)是Fe取代Ca而產(chǎn)生。四種橄欖石礦物(LS2CMP2014、LS2CMP2006、LS2CMP2005、LS2CMP2003)均為Apollo17任務(wù)采集回來(lái)的礦物，由波譜圖可看出光譜都有一個(gè)中心在1.0 μm附近很寬的吸收，橄欖石結(jié)構(gòu)含有兩個(gè)六次配位位置,其中一位置上的離子產(chǎn)生強(qiáng)的中心譜帶，而另一位置上的離子產(chǎn)生兩邊的譜帶(兩種鈦鐵礦(LS2CMP20062A、LS2CMP20062B))[2]，由波譜圖我們還看到兩個(gè)比較明顯的吸收峰，一個(gè)在0.5 μm,另一個(gè)在1.5 μm。月陸占據(jù)了月表約60%區(qū)域，其中19%是富鎂月巖[17]。我國(guó)嫦娥一號(hào)搭載的涉成像光譜儀設(shè)備可探測(cè)月球表面元素和礦物、巖石，并利用探測(cè)結(jié)果繪制各元素、礦物、巖石的全月球分布圖，為月球的開(kāi)發(fā)利用提供有關(guān)資源分布的數(shù)據(jù)，本文使用得到反射率轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。IIM月表正面數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1[18]。

2　月表礦物識(shí)別與填圖方法的選擇

嫦娥一號(hào)干涉成像光譜儀覆蓋范圍為480～960 nm，只能部分描述1.0 μm附近的吸收峰，提取的吸收峰參數(shù)僅有光譜斜率，由于數(shù)據(jù)涵蓋半個(gè)1.0 μm吸收譜段，對(duì)于輝石與橄欖石，由于其均具有1.0 μm附近吸收譜段的特征，較難區(qū)分[19]。對(duì)于嫦娥一號(hào)干涉成像光譜儀獲得月表數(shù)據(jù)，通過(guò)混合光譜分解方法可以定量分析一個(gè)混合像元各組分的含量及分布，但由于對(duì)于每一個(gè)混合像元，其不能滿(mǎn)足所有混合數(shù)值為100%，對(duì)于組成像元因子的數(shù)目不能很好確定，分解結(jié)果造成不確定成分分析?；阪隙饠?shù)據(jù)波譜分析，通過(guò)月壤樣本光譜數(shù)據(jù)與其組分特征建立相應(yīng)模型，采用光譜特征回歸統(tǒng)計(jì)方法演化Al2O3光譜參數(shù)與元素含量建立FeO。

3　月表FeO反演

利用Clementine UVVIS光譜數(shù)據(jù)給出一種根據(jù)VIS反射率與NIR/VIS比值得到FeO含量的方法[20]。Wells等[21]提出與含量相關(guān)的光譜變化是由于不透明礦物的影響；Blewett等[4]利用Apollo與Luna登陸點(diǎn)高分辨Clementine UVVIS影像及已知采樣點(diǎn)的FeO含量來(lái)改進(jìn)Lucey的算式，Ling等認(rèn)為L(zhǎng)ucey對(duì)于繪制FeO分布時(shí)沒(méi)有考慮鈦鐵礦中的FeO，利用鐵元素吸收深度與坡度的關(guān)系重新導(dǎo)出FeO分布；利用嫦娥IIM數(shù)據(jù)結(jié)合的方法提出了適合于嫦娥數(shù)據(jù)的FeO的定量算法[20,22]。

圖1　月表正面嫦娥成像光譜儀數(shù)據(jù)反射率影像

Lucey等[6,14]依據(jù)Apollo11、Apollo12、Apollo14、Apollo16、Lunar16、Lunar20六個(gè)月球著陸點(diǎn)附近的撞擊坑內(nèi)外成熟度的不同，建立UV-VIS與VIS關(guān)系圖的方法，該方法中定義了一個(gè)角度參數(shù)來(lái)消除月壤成熟度的影響，建立了一個(gè)與FeO含量相關(guān)的角度來(lái)反演FeO的含量。我們借鑒Lucey等的這個(gè)方法，選取了在采樣點(diǎn)周?chē)?包括采樣點(diǎn))的全月六個(gè)不同緯度區(qū)域作為樣本區(qū)，依據(jù)IIM特點(diǎn)選取B31(918 nm)/B24(757 nm)與B24(757 nm)建立二維散點(diǎn)圖(圖2)，建立相關(guān)與FeO光譜參數(shù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)存在很好的分布，由于成熟度不同，相同含量的土壤存在波譜差異。依據(jù)Blewett等[4]認(rèn)為那些組成有差異的月壤因成熟度變化形成的上述線性趨勢(shì)在反射光譜圖上看上去相交于暗且“紅”的一點(diǎn)，這點(diǎn)分別為假想的暗色，光譜紅的端員組分對(duì)應(yīng)的光譜比值及反射率。

圖2　IIM數(shù)據(jù)FeO二維分布散點(diǎn)圖NIR/VISvsVIS

我們通過(guò)選取的“原點(diǎn)”，依據(jù)二維散點(diǎn)圖，建立了適合嫦娥數(shù)據(jù)的光譜參數(shù)方程，見(jiàn)式(1)。

θ=atan((b31/b24-F)/(b24-E))

(1)

式中E、F為原點(diǎn)(ORIGIN)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，E=0.09,F=1.3635。

通過(guò)求出的關(guān)于FeO角度，采用Bleweet等[4]和Lucey等[7]的樣品表，我們采用的樣品坐標(biāo)來(lái)源于Clementine數(shù)據(jù)，空間分辨率100 m/pixel[23]，采用雙線性重采樣方式對(duì)Clementine數(shù)據(jù)重采至嫦娥一號(hào)IIM數(shù)據(jù)分辨率，然后對(duì)IIM數(shù)據(jù)與Clementine數(shù)據(jù)幾何精校正(月球正面)，保證數(shù)據(jù)點(diǎn)的準(zhǔn)確性(表1)[18]。由于嫦娥數(shù)據(jù)中缺失Apollo15樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們運(yùn)用除Apollo15以外數(shù)據(jù)建立樣品含量與角度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，來(lái)反演FeO含量分布。

通過(guò)對(duì)比分析，采用指數(shù)函數(shù)，對(duì)于FeO反演產(chǎn)生了最小的相關(guān)誤差，擬合率達(dá)到0.903，對(duì)于IIM數(shù)據(jù)，相比線性方法，指數(shù)方法效果更佳。我們運(yùn)用指數(shù)方程、運(yùn)用IIM繪制FeO分布(圖3)。圖4為月表正面FeO分布。

4　月表Al2O3反演

使用嫦娥IIM數(shù)據(jù)繪制月表正面Al2O3分布，由于Al2O3本身是造巖礦物，不具備光譜明顯吸收特征。本文采用適合于IIM波譜特征的統(tǒng)計(jì)方式，建立月表樣品數(shù)據(jù)與波譜信息之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，對(duì)于樣品我們采用LSCC實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的57個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙向發(fā)射率數(shù)據(jù)重采樣到嫦娥IIM數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)范圍樣本包含了Pieters所采用的樣本[6,16,24]。本次使用MNF(Minimum Noise Fraction )方法，利用IIM32波段數(shù)據(jù)做最小噪聲(MNF)分離，按照噪音與真實(shí)能量的分布，發(fā)現(xiàn)波譜能量主要集中于前五分量，我們選取前五個(gè)MNF分量作為使用的方程因子，使用相同樣本建立MNF變量與樣品含量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,見(jiàn)式(2)。通過(guò)計(jì)算，確定統(tǒng)計(jì)函數(shù)，見(jiàn)式(3)。Al2O3比值統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分布見(jiàn)圖5。

表1　Apollo與Lunar FeO樣品表與角度參數(shù)

圖3　月表正面FeO反演擬合曲線圖

P=a×MNF1+b×MNF2+c×MNF3+

d×MNF4+e×MNF5+g

(2)

logP=-0.2449×MNF1+1.2168×MNF2-

9.2805×MNF3+8.5530×MNF4+

2.2717×MNF5+2.2722

(3)

R=0.932

式中：MNFi為分離分量；a、b、c、d、e為相關(guān)系數(shù)；R為擬合系數(shù)。

圖4　月表正面FeO分布圖

圖5　Al2O3比值統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分布

通過(guò)對(duì)比區(qū)域顯示高值A(chǔ)l2O3主要富集月陸區(qū)域(圖6)，符合月陸主要造巖礦物為斜長(zhǎng)巖的組分特征。對(duì)比Apollo和Lunar月表樣品的分布情況，與月海玄武巖區(qū)域主要富集Fe、Ti反相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.932。

5　結(jié)　論

FeO在月表分布比較普遍，其在月海區(qū)域含量都較高，分布特征與鈦元素有很高的相關(guān)性。鐵高富集區(qū)多位于月球正面，在月海區(qū)域明顯高于月陸區(qū)域，月海區(qū)域主要富含鎂鐵礦物，月陸區(qū)域主要以斜長(zhǎng)巖為主，其中在雨海和風(fēng)暴洋范圍內(nèi)鐵含量達(dá)到20%，澄海和靜海的南部含量在15%左右，危海與豐富海的含量在14%左右，在正面的月海中，冷海與酒海及月海周?chē)科?，約為9%；對(duì)于月陸區(qū)域含量偏低， 大部分僅為4%左右， 我們對(duì)比伽馬射線譜儀數(shù)據(jù)顯示，其含量略低，為1.3%左右，月表FeO主要分布在在經(jīng)度85°W～60°E、緯度40°S～60°N的區(qū)域上。Ling等對(duì)于IIM FeO填圖結(jié)果在危海區(qū)域的含量為14.58%[20]，與本文基本吻合。由于本文采用的是借鑒Lucey等的方法，對(duì)于Lucey等的方法關(guān)于FeO月表分布只能檢測(cè)輝石與橄欖石中的亞鐵,但不能表征斜長(zhǎng)巖中的雜質(zhì)，在鈦鐵礦中的鐵被忽略，由于月表波譜受到空間風(fēng)化與太陽(yáng)風(fēng)粒子宇宙射線的影響[25]，波譜會(huì)受到一定改變，沒(méi)有考慮地形及風(fēng)化作用，導(dǎo)致含量略有差異。由于嫦娥數(shù)據(jù)沒(méi)有覆蓋1 500 nm左右的波段，對(duì)于連續(xù)統(tǒng)的去除存在一定影響，地形影響沒(méi)有很好去除，待以后改進(jìn)。對(duì)于月表礦物方法的探索，不僅僅局限于持續(xù)對(duì)Clementine數(shù)據(jù)的研究，也應(yīng)當(dāng)考慮多種傳感器所獲得的高光譜數(shù)據(jù)。本文使用覆蓋全月的32個(gè)波段Chang’e-1IIM2C反射率數(shù)據(jù)，基于MNF統(tǒng)計(jì)方法對(duì)于Al2O3含量反演，使用影像數(shù)據(jù)可以減少實(shí)驗(yàn)室測(cè)量所產(chǎn)生的光學(xué)誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于月表的樣品，對(duì)于反演月球礦物組分，使用樣品含量信息與樣品的光學(xué)波譜特征建立回歸關(guān)系是可行的。

圖6　月表正面Al2O3含量分布