月球澄海玄武巖礦物成分研究?

蔡 偉李少林 盧 瑜 吳昀昭

(1 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院南京210023)

(2 中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心北京100081)

(3 中國(guó)科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210034)

1 引言

月海由火山熔巖流填充大型環(huán)形盆地或低地形成.月海玄武巖覆蓋月球表面積的～17%,占月殼體積的～1%[1].月海玄武巖礦物組成反映了源區(qū)的化學(xué)成分和巖漿的結(jié)晶環(huán)境,對(duì)研究月球熱演化歷史具有重要意義.此外,獲取月表礦物組成分布可以為將來建設(shè)月球基地和開發(fā)利用月球資源提供決策依據(jù).20世紀(jì)60–70年代,美國(guó)阿波羅(Apollo)計(jì)劃和前蘇聯(lián)月球(Luna)計(jì)劃均成功采集到月球樣品,但是樣品數(shù)量少且采樣點(diǎn)分布具有局限性.遙感技術(shù)是當(dāng)前獲取月表礦物組成和分布情況的主要手段.

澄海形成于酒海紀(jì),直徑740 km[2],中心經(jīng)度17.5?E,中心緯度28?N(圖1).澄海西接雨海,東南部和靜海相連,北望冷海,西南與汽海毗鄰.澄海玄武巖的時(shí)間跨度約為3.81–2.44 Ga[3],大部分區(qū)域較為古老,最年輕的地區(qū)位于東部直徑約60 km的Le Monnier(25?51′N,30?27′E)撞擊坑附近.澄海東北部有月球上面積最大的月湖—夢(mèng)湖(Lacus Somniorum),面積約70000 km2;東南和西南邊緣存在爆發(fā)式火山作用形成的火山碎屑堆積物,可能代表原始巖漿的組成[4].

Kaur等[5]利用月球礦物制圖儀(Moon Mineralogy Mapper,M3)數(shù)據(jù)將澄海劃分為13個(gè)地質(zhì)單元,基于地理位置將它們分為中部和東部、西部、西南部和南部3組.他們發(fā)現(xiàn)澄海玄武巖富含中鈣到高鈣輝石,但未發(fā)現(xiàn)明顯礦物成分變化趨勢(shì),由此推測(cè)澄海形成過程中有一個(gè)穩(wěn)定的玄武巖熔巖流源區(qū).Kodama等[6]基于Clementine紫外/可見光相機(jī)(UV/VIS)影像將澄海劃分成6個(gè)地質(zhì)單元,其中中部地區(qū)為低鈦玄武巖(TiO2含量約2.8–4.2 wt%).Lawrence等[7]通過月球勘探者伽馬射線譜儀發(fā)現(xiàn)澄海中部為高鐵玄武巖,四周為低鐵玄武巖.Hiesinger等[3]利用多光譜伽利略影像數(shù)據(jù)假彩色合成影像將澄海劃分為29個(gè)地質(zhì)單元,并通過撞擊坑大小-頻率分布測(cè)年法(Crater Size-Frequency Distribution)得到地質(zhì)單元的年齡分布.結(jié)果顯示澄海玄武巖年齡在3.81–3.24 Ga,其中近33%的玄武巖年齡分布在3.8–3.6 Ga,23%分布在3.5–3.4 Ga.Hackwill[8]基于Clementine(UV/VIS)數(shù)據(jù)識(shí)別玄武巖地層邊界,將澄海玄武巖劃分出14個(gè)地質(zhì)單元.

圖1 澄海示意圖(等距離圓柱投影,投影中心為(28?N,17.5?E)).底圖為L(zhǎng)ROC WAC假彩色合成圖(R:689 nm,G:566 nm,B:321 nm),白色實(shí)線表示澄海邊界線Fig.1 A sketch of the Mare Serenitatis(the equidistant cylindrical projection with the center of(28?N,17.5?E)).The base image is the false color composition of LROC WAC(R:689 nm,G:566 nm,B:321 nm).The white line depicts the boundary of Mare Serenitatis

本文綜合利用多源遙感數(shù)據(jù)劃分澄海地質(zhì)單元,在此基礎(chǔ)上利用M3數(shù)據(jù)反演澄海玄武巖礦物組成.通過研究澄海玄武巖的礦物成分及空間分布,深化對(duì)該區(qū)域熱演化的認(rèn)識(shí),并為月球演化模型研究和月球探測(cè)計(jì)劃提供基礎(chǔ)資料.

2 數(shù)據(jù)

M3是搭載在印度“月船一號(hào)”(Chandrayaan-1)的載荷之一.飛船有100 km和200 km兩個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)軌道,在100 km軌道上,M3高光譜數(shù)據(jù)空間分辨率為140 m/pixel.其工作模式主要分為全球模式和目標(biāo)模式兩種.在全球模式下,M3數(shù)據(jù)共有85個(gè)波段,波長(zhǎng)范圍為430–3000 nm,光譜分辨率為20–40 nm,能夠獲取連續(xù)光譜曲線.獲取的數(shù)據(jù)共有OP1A、OP1B、OP2A、OP2B和OP2C 5個(gè)光學(xué)周期[9-10].本文主要采用空間分辨率較高的OP1B周期數(shù)據(jù)研究澄海的玄武巖礦物成分.由于澄海中部地區(qū)OP1B周期數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重,獲取該地區(qū)光譜結(jié)合了OP2C數(shù)據(jù).

月球勘測(cè)軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter Camera,LROC)搭載的廣角相機(jī)(Wide Angle Camera,WAC)獲取的空間分辨率為475 m/pixel的無痕鑲嵌影像包含了波長(zhǎng)范圍321–689 nm的數(shù)據(jù)[11].LROC窄角相機(jī)(Narrow Angle Camera,NAC)獲取的高空間分辨率0.5–2 m/pixel的影像用于新鮮坑的目視選取.積分吸收深度圖(Integrated Band Depth,IBD)由M3數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)生,描繪了玄武巖地質(zhì)單元間的光譜變化.Clementine假彩色合成圖(R:750/415 nm,G:750/950 nm,B:415/750 nm)顯示了地層礦物和元素含量的變化.嫦娥一號(hào)干涉成像光譜儀(Interference Imaging Spectrometer,IIM)數(shù)據(jù)波長(zhǎng)范圍為480–960 nm,共32個(gè)波段,空間分辨率200 m/pixel.新定標(biāo)的IIM數(shù)據(jù)消除了瓦片狀拼接邊界,全球無痕鑲嵌圖為更詳細(xì)的地質(zhì)單元?jiǎng)澐痔峁┝酥蝃12].LROC低太陽高度角數(shù)據(jù)和激光高度計(jì)(Lunar Orbiter Laser Altimeter,LOLA)高程數(shù)據(jù)提供了地形信息,有助于輔助光譜圖劃分地質(zhì)單元.

3 方法

3.1 地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

地質(zhì)單元?jiǎng)澐质且豁?xiàng)基礎(chǔ)性而其重要性又易被忽視的工作.不同的單元?jiǎng)澐直貙?dǎo)致后續(xù)年齡、成分、地質(zhì)填圖等結(jié)果的差異[13].前人通常使用Clementine彩色比值合成圖和M3積分深度圖作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)劃分地質(zhì)單元[5?6,8].這兩個(gè)數(shù)據(jù)集鑲嵌影像在軌道邊界存在色調(diào)差異,會(huì)混淆不同地質(zhì)單元.近年來,大量光度校正工作的開展產(chǎn)生了無痕拼接鑲嵌圖,如嫦娥一號(hào)IIM數(shù)據(jù)和LROC WAC數(shù)據(jù)[12].這些數(shù)據(jù)大多數(shù)在可見光波段范圍,由于窄波長(zhǎng)范圍內(nèi)不同單元之間對(duì)比度低,這導(dǎo)致成分相似的玄武巖單元通過以上數(shù)據(jù)不易區(qū)分.大多數(shù)月球礦物在短波紅外波段有更顯著的光譜對(duì)比度,結(jié)合M3數(shù)據(jù)的短波紅外通道和地基雷達(dá)數(shù)據(jù)有助于更準(zhǔn)確地劃分地質(zhì)單元.M3IBD影像上的色調(diào)揭示了巖石的吸收特征,含輝石吸收表現(xiàn)為亮青色,含橄欖石吸收為紫紅色,無吸收特征為藍(lán)色[13].雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)是可以探測(cè)表面風(fēng)化層之下的地層.

本文綜合利用M3遙感影像以及通過其產(chǎn)生的IBD影像、Clementine比值假彩色合成影像、嫦娥一號(hào)IIM影像、LROC WAC 7波段數(shù)據(jù)、地基雷達(dá)數(shù)據(jù)和LROC LOLA高程數(shù)據(jù)劃分詳細(xì)地質(zhì)單元.在ArcGIS中通過拉伸、增強(qiáng)對(duì)比度繪制地質(zhì)單元圖,最終將澄海玄武巖劃分為55個(gè)地質(zhì)單元.

3.2 光譜收集

月壤中的風(fēng)化產(chǎn)物會(huì)減弱鎂鐵質(zhì)礦物的光譜吸收[14?15].新鮮的撞擊坑風(fēng)化程度低,較好地保持了原始的光譜特征;成熟度較高的撞擊坑受到空間風(fēng)化影響大,其光譜曲線的形態(tài)特征發(fā)生改變,對(duì)玄武巖礦物組成的判別造成影響.因此需要盡量選取新鮮撞擊坑,降低空間風(fēng)化和后期撞擊濺射物對(duì)目標(biāo)撞擊坑光譜特征的影響.本文使用LROC NAC高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)目視判別新、老撞擊坑.具體標(biāo)準(zhǔn)如下:(1)新鮮坑直徑大小一般在300–1200 m之間;(2)新鮮坑周圍有明亮的放射狀濺射線或大量碎石.選取撞擊坑坑壁單個(gè)像元的光譜數(shù)據(jù),并避開太陽入射陰影,對(duì)少數(shù)信噪比不高的新鮮坑光譜,則采用2×2或1×2像素的光譜進(jìn)行平均.圖2為本文選取的84條新鮮撞擊坑光譜的地理分布以及最終的地質(zhì)單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果.灰色實(shí)線為地質(zhì)單元邊界線,黃點(diǎn)為選取的新鮮撞擊坑,底圖為L(zhǎng)ROC WAC假彩色合成影像.

圖2 澄海新鮮撞擊坑光譜分布圖.灰線為地質(zhì)單元邊界線,黃點(diǎn)為選取的新鮮撞擊坑,G1–G6代表地質(zhì)單元分組Fig.2 The sampling sites of fresh craters in Mare Serenitatis.The gray line depicts the boundary of basaltic units.Yellow points represent the locations of selected fresh craters.G1–G6 represent the group of basaltic units

3.3 光譜參數(shù)獲取

月海玄武巖最常見的鐵鎂質(zhì)礦物是輝石和橄欖石,可以使用1000 nm和2000 nm的診斷性光譜吸收特征對(duì)它們進(jìn)行識(shí)別[16?17].輝石占據(jù)M2位的Fe2+躍遷產(chǎn)生1000 nm和2000 nm強(qiáng)吸收特征[13,18].隨著Fe2+或Ca2+含量的增加,輝石光譜吸收中心將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)[19?20].橄欖石占據(jù)M1和M2位的Fe2+躍遷產(chǎn)生由3個(gè)吸收特征疊加而成的～1000 nm寬吸收峰,3個(gè)吸收中心分別位于850 nm、1050 nm和1250 nm[21–23].本文計(jì)算的主要光譜參數(shù)為吸收中心和波段面積比(band area ratio,BAR).定義Band I和Band II分別為光譜在1000 nm和2000 nm處的吸收峰,BAR為2000 nm吸收峰特征范圍內(nèi)的吸收深度累加值與1000 nm吸收峰特征范圍內(nèi)的吸收深度累加值的比值.BAR是指示橄欖石和輝石相對(duì)含量的有效光譜參數(shù).橄欖石光譜曲線缺乏2000 nm吸收峰,所以BAR值越小,橄欖石豐度越高,反之則輝石豐度越高.

在計(jì)算光譜參數(shù)前,采用B樣條函數(shù)擬合對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理,以減少噪聲的影響,平滑后的曲線與原曲線在形態(tài)上有一致性[24].采用切線法進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)去除,具體方法為:(1)對(duì)于1000 nm吸收峰,取吸收峰左右兩肩的極大值作切線[25];(2)對(duì)于2000 nm吸收峰,由于2500 nm往后波長(zhǎng)受熱輻射影響較大,采用2497 nm為右側(cè)固定端點(diǎn),往左側(cè)作切線進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)去除[24].采用6次多項(xiàng)式擬合連續(xù)統(tǒng)去除后的光譜曲線,對(duì)其求取1階導(dǎo)數(shù)獲得吸收中心[26].

4 研究結(jié)果與討論

4.1 澄海地質(zhì)單元

圖3分別展示了在LROC WAC影像、IIM假彩色合成影像、Clementine比值假彩色合成影像、M3彩色合成影像、M3IBD影像和LROC LOLA影像上的地質(zhì)單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果.Kaur等[5]研究劃分了13個(gè)地質(zhì)單元,Hiesinger等[3]研究劃分了29個(gè)地質(zhì)單元,本文將澄海劃分為55個(gè)地質(zhì)單元(S1–S55),更為細(xì)致的地質(zhì)單元?jiǎng)澐钟欣诜治鲂鋷r礦物成分變化及本區(qū)地質(zhì)演化.根據(jù)LROC WAC影像色調(diào)變化將55個(gè)地質(zhì)單元分為6個(gè)組,分別用G1–G6表示.具體分組參見表1.因?yàn)镾25、S53和S54地質(zhì)單元未選取到新鮮坑,故不作分組討論.S19(G3)、S16(G4)、S17(G4)、S23(G4)和S51(G5)單元內(nèi)選取的新鮮撞擊坑周圍存在射線狀條紋,可能受到了撞擊濺射物的混合污染[27–29].

表1 地質(zhì)單元分組Table 1 Groups of the basaltic units

G1組地質(zhì)單元主要分布在澄海的東北部和西部邊界,LROC WAC圖上呈現(xiàn)藍(lán)、白色混合.G2組地質(zhì)單元分布于澄海東南到西南邊界,呈深藍(lán)色.G3組分布在澄海中部和東部,呈青褐色.澄海最年輕的地質(zhì)單元S5(～2.44 Ga)[3]位于該組內(nèi).G4組分布在澄海的中部,呈現(xiàn)棕黃色.5個(gè)面積較小、單元內(nèi)存在大型撞擊坑(S51)或疑似破碎火山口的地質(zhì)單元(S26、S45、S52和S55)被單獨(dú)劃為G5組.G6組疑似為爆發(fā)式火山形成的地質(zhì)單元.

4.2 光譜分析

圖4和圖5分別展示了6組地質(zhì)單元的平均反射率曲線和連續(xù)統(tǒng)去除后的光譜.G1–G4 4組地質(zhì)單元光譜具有很好的一致性,反射率曲線變化不大,但它們?cè)贚ROC WAC影像色調(diào)不一致,可能是因?yàn)長(zhǎng)ROC WAC呈現(xiàn)的是表層經(jīng)空間風(fēng)化改造的光譜特征,而提取的新鮮坑光譜反映了原始的礦物組成.4組地質(zhì)單元光譜曲線大多具有較強(qiáng)的1000 nm和2000 nm吸收峰,少數(shù)在1300 nm存在弱吸收.G5組光譜曲線在1000 nm和2000 nm吸收峰弱于其他分組,存在1300 nm處的弱吸收.1000 nm和2000 nm吸收峰較弱可能是因?yàn)槭艿搅俗矒魹R射物混合或者富含火山碎屑物.G6組光譜曲線具有最弱的1000 nm和2000 nm吸收峰,斜率比較大,具有典型的火山玻璃光譜特征[30].

圖3 澄海地質(zhì)單元?jiǎng)澐謭D.(a)LROC WAC彩色合成圖(R:689 nm,G:566 nm,B:321 nm);(b)IIM假彩色合成影像(R:842 nm,G:776 nm,B:551 nm);(c)克萊門汀比值彩色合成圖(R:750/415 nm,G:750/950 nm,B:415/750 nm);(d)M3彩色合成圖(R:2696 nm,G:1508 nm,B:700 nm);(e)M3IBD假彩色合成圖(R:1000 nm IBD,G:2000 nm IBD,B:1578 nm IBD);(f)LROC LOLA高程圖Fig.3 The distribution of basalts in Mare Serenitatis.(a)LROC Wide Angle Camera color composite(R:689 nm,G:566 nm,B:321 nm);(b)CE-1 Interference Imaging Spectrometer color composite(R:842 nm,G:776 nm,B:551 nm);(c)Clementine color ratio image(R:750/415 nm,G:750/950 nm,B:415/750 nm);(d)M3color composite(R:2696 nm,G:1508 nm,B:700 nm);(e)M3integrated band depth color composite(R:1000 nm,G:2000 nm,B:1578 nm);(f)LROC LOLA

圖4 G1–G6組的平均反射率曲線Fig.4 Mean re fl ectance spectra of each unit in G1–G6

圖5 G1–G6組連續(xù)統(tǒng)去除后平均反射率曲線Fig.5 Mean continuum removed spectra of each unit in G1–G6

圖6(a)是澄海各地質(zhì)單元新鮮坑Band I和Band II波段中心散點(diǎn)圖.作為對(duì)比,圖中也展示了天然輝石和人工合成輝石的特征[16,23,31].低鈣輝石的1000 nm與2000 nm吸收中心分別位于900–930 nm和1800–2100 nm;高鈣單斜輝石的1000 nm與2000 nm吸收中心分別位于910–1070 nm和1970–2360 nm[32].除G6組S31單元之外,其他組吸收中心都位于高鈣輝石范圍內(nèi),說明澄海玄武巖輝石主要類型為高鈣單斜輝石.S31單元吸收中心波長(zhǎng)分別位于915 nm和1969 nm,表明該組玄武巖輝石鈣含量最低.

圖6(b)為澄海地質(zhì)單元1000 nm吸收中心波長(zhǎng)和波段面積比散點(diǎn)圖.G1–G6組波段面積比范圍依次為0.76–0.99、0.66–2.02、0.88–1.04、0.55–1.2、0.34–1.17和0.63–1.01.波段面積比最低值為0.34,出現(xiàn)在G5組S45單元,表明該區(qū)域最富集橄欖石;最高值為2.02,出現(xiàn)在G6組S31單元,表明該區(qū)域最富單斜輝石.

圖6 (a)1000 nm吸收中心和2000 nm吸收中心散點(diǎn)分布圖;(b)1000 nm吸收中心和波段面積比散點(diǎn)分布圖Fig.6 (a)Plot of Band I versus Band II centers;(b)Plot of Band I centers versus BAR

圖7為澄海1000 nm吸收中心分布趨勢(shì)圖和波段面積比趨勢(shì)圖,可直觀地顯示澄海玄武巖橄欖石和輝石的相對(duì)含量空間變化趨勢(shì).澄海西部和東北部1000 nm吸收中心波長(zhǎng)較長(zhǎng),BAR值較低,具有較高的橄欖石/輝石比.中部和南部1000 nm吸收中心波長(zhǎng)較短,BAR值較高,具有較低的橄欖石/輝石比,相對(duì)富含單斜輝石.

圖7 (a)澄海1000 nm吸收中心分布圖;(b)波段面積比分布圖Fig.7 (a)The distribution of Band I centers;(b)The distribution of BAR values

大型撞擊坑Bessel位于G5組S51單元上,它被S23包圍.在Bessel坑附近提取的新鮮坑光譜1000 nm吸收中心波長(zhǎng)高于周邊地質(zhì)單元,BAR值低于周邊地質(zhì)單元,可能是受到了Bessel撞擊坑濺射物的影響.G5組其余疑似火山口的地質(zhì)單元(S26、S45、S52和S55)也具有類似的光譜特征,可能富含火山碎屑物[3].G6組從光譜曲線上分析為火山玻璃覆蓋地層.S49單元內(nèi)的Rima Calippus月溪在雷達(dá)影像呈現(xiàn)深黑色,推斷曾經(jīng)發(fā)生過小范圍的火山活動(dòng),有火山玻璃覆蓋,這與光譜曲線分析結(jié)果一致.

從整體上看,無論是1000 nm吸收中心還是BAR值,澄海南部到中部地區(qū)與西部和東北部地區(qū)都有明顯差異.南部到中部地區(qū)1000 nm吸收中心較低、BAR值較高(圖7中呈藍(lán)色),具有較低的橄欖石/輝石比例,相對(duì)富輝石.西部和東北部地區(qū)1000 nm吸收中心較高、BAR值較低(圖7中呈橙色或黃色),具有較高的橄欖石/輝石比例.定年結(jié)果顯示富橄欖石地區(qū)(東北部)玄武巖時(shí)代為愛拉托迅紀(jì)(2.1 Ga)[8],富輝石地區(qū)(南部到中部)年齡范圍大約為3.3–3.4 Ga.值得注意的是,冷海西部、露灣、風(fēng)暴洋和雨海年輕晚期玄武巖同樣富橄欖石[27–29,33].這種礦物-時(shí)代關(guān)系在如此大范圍的一致性可能反映了月球演化到后期玄武巖更為富集橄欖石.然而澄海IBD圖(圖3(e))并未顯示該區(qū)具有類似風(fēng)暴洋、雨海和冷海西部非常突出的年輕玄武巖富集橄欖石趨勢(shì),澄海地區(qū)年輕玄武巖-橄欖石關(guān)系有待進(jìn)一步研究.

不同的橄欖石/輝石比例和定年結(jié)果表明澄海南部到中部地區(qū)與周邊區(qū)域不屬于同一噴發(fā)期次,可能說明它們具有不同的巖漿源區(qū).相反,澄海東北部與冷海東部具有相似的1000 nm吸收中心波長(zhǎng)和BAR值,且它們的年齡相近[3,33],可能反映它們盡管隸屬于不同的月海,但巖漿源區(qū)可能具有一定的聯(lián)系.

5 結(jié)論

本文以澄海為研究區(qū),綜合利用多源遙感影像數(shù)據(jù),根據(jù)反射率、影像色調(diào)、地形等特征將澄海玄武巖詳細(xì)劃分為55個(gè)地質(zhì)單元,并分為6組.在M3影像中提取新鮮坑光譜,計(jì)算其波段中心、波段面積和波段面積比等光譜參數(shù),通過分析不同地質(zhì)單元的光譜吸收特征,研究了澄海不同地質(zhì)單元的礦物成分及空間分布,得出了以下結(jié)論:

(1)澄海玄武巖輝石的主要類型為高鈣單斜輝石.在空間分布上,澄海玄武巖的橄欖石/輝石比例呈現(xiàn)自東西兩端向中部遞減的趨勢(shì).澄海東部和西部玄武巖具有較高的橄欖石/輝石比;中部玄武巖具有較低的橄欖石/輝石比,相對(duì)富含高鈣單斜輝石.

(2)G5組地質(zhì)單元反射光譜1000 nm吸收中心波長(zhǎng)高于周邊地質(zhì)單元,BAR值低于周邊地質(zhì)單元.S51的光譜可能受到了Bessel撞擊坑沖擊濺射物的影響,其余3個(gè)單元可能富含火山碎屑物.