基于M3數(shù)據(jù)的月球澄海區(qū)域的鋁尖晶石提取及分布探究

王 翔

(北京新興華安智慧科技有限公司，北京 100083)

0 引 言

月球鎂尖晶石礦物隸屬于月球深成巖，可以通過(guò)撞擊作用被帶到月表，其蘊(yùn)含月殼深部甚至月幔的成分信息，對(duì)于研究月殼巖石成因與巖漿演化具有重要意義。同時(shí)尖晶石是巖石成因及條件的一種重要的標(biāo)志，通過(guò)分析研究尖晶石來(lái)源、成因、結(jié)晶以及與共生礦物的關(guān)系，探索月球礦物巖石的成因和起源。

月球上尖晶石的研究部分源于Apollo、LUNA樣品，大部分通過(guò)M3(the moon mineralogy mapper)遙感分析[1]，月球礦物測(cè)繪器(M3)主要的科學(xué)目標(biāo)是根據(jù)月球地質(zhì)演變的背景來(lái)描述和繪制月球表面礦物組成圖，主要的勘探目標(biāo)是以高空間分辨率評(píng)估和繪制月球礦產(chǎn)資源圖，以支持未來(lái)的有針對(duì)性的任務(wù)規(guī)劃。研究表明大多數(shù)為月球尖晶石富鐵(FeCr2O4：鉻鐵礦)或富鐵鈦(Fe2TiO4：鐵鈦尖晶石)，鎂鋁尖晶石少見(jiàn)。尖晶石通常發(fā)現(xiàn)于橄長(zhǎng)巖中(一種由斜長(zhǎng)石和橄欖石的堆積巖組成的高原鎂質(zhì)巖石)。PRISSEL等[2]指出月球上收集的尖晶石樣品全部含有>8%的橄欖石±輝石。

TAYLOR等[3]研究了鈦鐵礦物和鈦尖晶石在Fe-Ti-O體系中的穩(wěn)定關(guān)系并將研究數(shù)據(jù)應(yīng)用到月球礦物組合中。DALTON等[4]、MULCAHY等[5]通過(guò)探針?lè)治鲅芯考饩凸杷猁}類共生結(jié)晶之間的關(guān)系，指出鉻鐵礦到鈦尖晶石的轉(zhuǎn)換與結(jié)核、斜長(zhǎng)石的發(fā)育的熔融結(jié)果導(dǎo)致的組份變化有一定的關(guān)聯(lián)，其結(jié)晶過(guò)程與大部分巖石的冷卻過(guò)程相關(guān)且對(duì)于共生次序及生理化學(xué)環(huán)境變化相當(dāng)敏感。MICHAEL等[6]在Apollo15和Apollo17的少量樣品中發(fā)現(xiàn)尖晶石碎屑。此后，MARVIN等[7]在Apollo15的表層樣品15295的橄欖尖晶石巖屑中發(fā)現(xiàn)8%的堇青石，堇青石與相關(guān)的鈣長(zhǎng)石、橄欖石以及鐵鎂尖晶石代表了一種由火成尖晶石變質(zhì)形成的富鎂月陸巖石。ARAI等[8]研究了月球的Asuka 881757號(hào)樣品，通過(guò)研究其中輝石和尖晶石的結(jié)晶特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：月海玄武巖中的尖晶石在部分結(jié)晶的過(guò)程中組分從Fe2TiO4轉(zhuǎn)變到FeCr2O4，A881757中的尖晶石為含Cr的Ti尖晶石，說(shuō)明此類尖晶石結(jié)晶過(guò)程發(fā)生在一個(gè)相對(duì)晚的階段。尖晶石中TiO2和Cr2O3的含量不同可能反應(yīng)其在一些列結(jié)晶過(guò)程中的不同階段。

2011年M3的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人PIETERS以及他的科學(xué)團(tuán)隊(duì)以M3含長(zhǎng)石高地巖層中Moscoviense盆地(N27°，E146°)的成分?jǐn)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)盆地西側(cè)內(nèi)圈區(qū)域的光譜特征為富Mg-Al尖晶石[2]。與阿波羅樣品中的尖晶石不同，此次沒(méi)有發(fā)現(xiàn)指示鉻鐵礦的光譜特征，而且包含Mg-Al尖晶石的區(qū)域缺少其他的鎂鐵質(zhì)礦物或含量十分稀少(橄欖石、輝石<5%)，它們可以很容易與先前所鑒定的尖晶石月球樣品區(qū)別。PIETERS等將新的巖石類型命名為粉紅色尖晶石斜長(zhǎng)巖(PSA)[9-10]。產(chǎn)生正確組成的方法是熔融一種富橄欖石和富長(zhǎng)石巖石的能產(chǎn)生尖晶石的混合物，熔融需要大量的熱，并且這種情況發(fā)生在地幔而不是地殼，地殼中橄欖石和輝石具有其他巖石殘留。

本文以月球澄海為研究區(qū)，該區(qū)域充填著大量的月海玄武巖,其物質(zhì)組分信息揭露了大量關(guān)于月球熱演化及巖漿演化的歷史，澄海充填結(jié)束之后，月球受撞擊作用隨之減弱，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。本文討論澄海區(qū)域地形、構(gòu)造等地質(zhì)背景，深入對(duì)比分析月球尖晶石的遙感光譜特征，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的研究方法擬合Al尖晶石的波譜曲線，最終制定了M3數(shù)據(jù)反演Al尖晶石的流程，并據(jù)此分析了澄海區(qū)域M3數(shù)據(jù)，提取了該區(qū)域Al尖晶石分布情況。

1 月球澄海區(qū)域地質(zhì)特征

1) 地形地貌。澄海是月海之一，位于月球面向地球的一側(cè)，面積約31萬(wàn)km2。海面相當(dāng)平坦，四周地形較高，整體高程-4 861～3 383 m(圖1)。大約形成于38億～39億年前，這段時(shí)期月球受到小行星劇烈的撞擊，形成了月球上主要的撞擊盆地[11]。隨后迎來(lái)月球火山爆發(fā)時(shí)期，噴發(fā)出的玄武巖熔巖淹沒(méi)了這些盆地，形成了年輕的平坦的月球表面。四周高地高加索山脈、哈德利山、阿格尼絲山、維特魯威山高程均大于3 000 m(高程數(shù)據(jù)來(lái)源于Chang’E CCD數(shù)據(jù))。

圖1 研究區(qū)內(nèi)地貌及DEM分布圖Fig.1 Geomorphology and DEM distribution in the research area

澄海地區(qū)的月嶺表現(xiàn)出5個(gè)主要方向，其中4條與前月海紀(jì)的環(huán)形撞擊相關(guān)，普遍的北向延伸趨勢(shì)也很明顯(圖1)。主要月嶺走向與澄海盆地內(nèi)部環(huán)形構(gòu)造一致，整個(gè)體系具有不連續(xù)性，部分山脊以及許多連續(xù)性月嶺在走向上表現(xiàn)出一定變化。在澄海西部，山脊比中央盆地較高，形成地貌上的分界線。澄海地區(qū)的4條環(huán)形山脊體系也十分明顯，在貝塞耳山脊東部，形成一個(gè)直徑約170 km的小型山脊體系(圖1中B處)，東南部與澄海內(nèi)部環(huán)形構(gòu)造走向一致，B山脊體系單獨(dú)構(gòu)成，西側(cè)貫穿貝塞耳山脊近南北向弧形山脊。澄海中部的“A山脊體系”(圖1中A處)，直徑約390 km，內(nèi)部表現(xiàn)出南北向的弧形構(gòu)造貫穿澄海盆地中心區(qū)域，其北部與東部區(qū)域相對(duì)平坦，沿其四周分布有多條月溪及地塹。在澄海北東部，兩個(gè)由不連續(xù)的山脊和月嶺構(gòu)成的環(huán)形體系十分明顯(圖1中C處)，北東向的“C體系”，直徑約400 km，從月海區(qū)域延伸至澄海環(huán)形構(gòu)造當(dāng)中，內(nèi)部發(fā)育多條月溪，走向北西。在澄海北部，分布一個(gè)直徑約350 km的明顯的由山脊和月嶺構(gòu)成的“D體系”(圖1中D處)，然而這些山脊被北東部的“C體系”截?cái)啵砻鳌癉體系”形成在“C體系”之前。

2)構(gòu)造。通過(guò)疊加分析澄海表面特征與地形，7個(gè)火山單元組成了三個(gè)火山活動(dòng)時(shí)期，最古老(Ⅰ)、中間(Ⅱ)、最年輕(Ⅲ)(圖2)。通過(guò)對(duì)澄海區(qū)域撞擊坑形態(tài)學(xué)分析獲得的火山單元的相對(duì)年齡[12]，表明月海構(gòu)造的分布更傾向于斷代分布而非連續(xù)。澄海區(qū)域月海玄武巖同位素測(cè)年，樣品取自Ⅰ單元內(nèi)Apollo17登月點(diǎn)，為1.65～3.84 b.y.，與之相關(guān)的暗色地幔土壤組份約3.7 b.y.。對(duì)于撞擊坑計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及關(guān)于撞擊坑退化年齡研究認(rèn)為，Ⅲ單元的年齡約3.0～3.4 b.y.，Ⅱ單元位于Ⅰ單元、Ⅲ單元之間，約3.5 b.y.。

圖2 澄海地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.2 Geological structure of mare serenitatis area(注：底圖為M3第二波段反射率影像，地理坐標(biāo)系D-Moon2000)

澄海地區(qū)的環(huán)形構(gòu)造形成于酒海紀(jì)，大大小小數(shù)十個(gè)，基本分布于澄海四周。斷裂構(gòu)造主要分布于澄海盆地的四周四角區(qū)域，基本與盆地高地相切(除東北角，斷裂呈垂直于盆地方向產(chǎn)出)(圖2)。澄海西部分布大量的風(fēng)暴洋克里普巖質(zhì)地體(Procellarum KREEP Terrane，PKT)，月殼主要由玄武巖、角礫巖、富鎂結(jié)晶巖套和堿性結(jié)晶巖套組成，少見(jiàn)斜長(zhǎng)巖。澄海南部邊緣為TiO2高富集區(qū)，含量為6.5%～8.2%；FeO分布比較普遍，月海區(qū)域明顯高于月陸區(qū)域，分布特征與鈦元素有很高的相關(guān)性。月海區(qū)域主要富含鎂鐵礦物，月陸主要以斜長(zhǎng)巖為主。

2 鋁尖晶石波譜特征

鋁尖晶石主要包含Mg-Al尖晶石、Fe-AL尖晶石等，依據(jù)尖晶石族礦物MgAl2O4-Fe2+Al2O4-Fe2+Cr2O4(鐵鋁質(zhì)尖晶石鉻鐵礦)獨(dú)有的光譜反射特性，可以通過(guò)分析獲得系統(tǒng)、量化的光譜成分的關(guān)系。研究表示，M3的遙感觀察結(jié)果顯示含鋁尖晶石作為一種全月分布的組份存在于整個(gè)月殼當(dāng)中[11]，此前的研究中并未發(fā)現(xiàn)此類組分。正常尖晶石最顯著的光譜特征即Fe2+導(dǎo)致的在2 000 nm和2 800 nm的強(qiáng)吸收帶[1-2]。但是，晶場(chǎng)理論推測(cè)由于Fe2+在a 5T2-5E處的電子躍遷會(huì)在1 000 nm附近產(chǎn)生吸收帶，700 nm附近的波譜特征同樣與Fe2+有關(guān)[11](圖3)。

圖3 典型尖晶石礦物波譜(去連續(xù)統(tǒng))特征Fig.3 Spectral characteristics of typical spinel minerals

鋁尖晶石本身在1 000 nm附近存在吸收帶[10-11]，但此處的吸收特征與較高的Fe/Mg或者Cr/Al有關(guān)。因此，Mg-Al(低Fe)中含尖晶石的巖石缺乏1 000 nm附近的吸收特征表明該組巖石為富鎂、貧鐵的鋁質(zhì)尖晶石斜長(zhǎng)巖。Fe-AL尖晶石在V-NIR表現(xiàn)出的光譜特征與Mg-Al(低Fe)明顯不同，特別是尖晶石表現(xiàn)出雙吸收谷特征(即除了2 000 nm附近顯著的吸收特征外，700 nm和1 000 nm附近存在極小值)。出現(xiàn)該雙吸收特征的鋁質(zhì)尖晶石含有較豐富的Fe元素，表明Fe-AL尖晶石與Mg-Al(低Fe)尖晶石相比明顯含有大量Fe元素。

3 尖晶石分布信息提取

3.1 M3數(shù)據(jù)特征及預(yù)處理

M3為月球礦物測(cè)繪儀，是一個(gè)高均勻性、高信噪比成像光譜儀，由印度探月工程Chandrayaan-1完成。電磁波譜范圍為430～3 000 nm，共分85個(gè)波段，波譜分辨率10 nm，F(xiàn)WHM(半峰全寬)<15 nm；輻射范圍在0至飽和，采樣采用12 bits測(cè)算，線性響應(yīng)到1%，絕對(duì)精度在10%以內(nèi)，信噪比>400。依據(jù)觀測(cè)條件不同，M3數(shù)據(jù)分為OP1和OP2兩個(gè)光學(xué)周期，為高分辨率的目標(biāo)模式(“T”，空間分辨率70 m/pixel)和全球模式(“G”，空間分辨率均為140 m/pixel))。本文采用OP1B數(shù)據(jù)(空間分辨率均為140 m/pixel)，數(shù)據(jù)模式為全球模式數(shù)據(jù)(“G數(shù)據(jù)”)開展研究。

M3數(shù)據(jù)本身沒(méi)有地理及控制點(diǎn)信息，不能直接使用。本文使用的M3數(shù)據(jù)為反射率數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)本身對(duì)應(yīng)的控制文件M3MYYYYMMDDTHH-MMSS_VNN_LOC，其對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)位置存儲(chǔ)了經(jīng)緯度以及高程數(shù)據(jù)，3個(gè)波段，前兩個(gè)為經(jīng)度和緯度(以十進(jìn)制表示)，最后一個(gè)波段存儲(chǔ)的為距離月核的距離高程數(shù)據(jù)；這里采用自編程序提取出M3數(shù)據(jù)地理控制點(diǎn)信息；設(shè)定月球橢球體參數(shù)為(長(zhǎng)軸、短軸=1737400.0)，根據(jù)M3數(shù)據(jù)特點(diǎn)，推算出合適的像元大小(0.005°×0.005°)，進(jìn)行地理幾何校正，誤差不大于2個(gè)像元。采用線性校正方式校正反射率數(shù)據(jù)，最后獲得具有地理信息的M3反射率數(shù)據(jù)。

3.2 尖晶石分布提取流程

將尖晶石礦物及相關(guān)礦物的波譜特征重采樣至M3波譜分布(圖4)，由圖4可知，尖晶石礦物在2 000 nm、2 800 nm處存在明顯的吸收谷，而在1 000 nm鐵尖晶石表現(xiàn)出強(qiáng)的吸收特征，而鋁尖晶石側(cè)吸收特征不明顯，在700 nm處則表現(xiàn)出一定的反射特征。另外鉻鐵礦、亞鉻酸鹽(Chromite)在1 500 nm之后波譜特征與尖晶石波譜特征相似，與鋁尖晶石的區(qū)別主要體現(xiàn)在1 100～1 420 nm之間的波譜特征，而與鐵尖晶石的波譜特征主要表現(xiàn)在鐵尖晶石在1 000 nm處的強(qiáng)吸收特征，而Chromite礦物沒(méi)有這一吸收特征。

圖4 典型尖晶石礦物及相關(guān)礦物波譜特征Fig.4 Spectral characteristics of typical spinel minerals and related minerals(注：重采樣至M3波譜，上部為三種富鎂尖晶石、下部為三種鉻鐵礦、亞鉻酸鹽)

圖5 M3數(shù)據(jù)提取鋁尖晶石流程圖Fig.5 The process of extracting Al spinel from M3 data

依據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了針對(duì)M3數(shù)據(jù)的鋁尖晶石的提取流程(圖5)。首先提取2 000 nm和2 800 nm處的吸收特征，得到類尖晶石礦物的分布；依據(jù)前文分析，在得到的尖晶石分布圖中剔除1 000 nm處的吸收特征礦物；得到鋁尖晶石及鉻鐵礦、亞鉻酸鹽(Chromite)的分布。由于Chromite礦物與鋁尖晶石礦物在1 100～1 420 nm波段，波譜反射特征完全相反，所以設(shè)計(jì)了1 420 nm小于1 100 nm附近的反射率的數(shù)據(jù)為鋁尖晶石礦物。

4 結(jié)果與討論

圖6為依據(jù)上述討論方法提取的澄海地區(qū)的鋁尖晶石分布圖，鋁尖晶石主要分布于澄海中南部以及澄海西部大部分地區(qū)，集中分布于月嶺周邊，以及環(huán)形構(gòu)造邊緣。鋁尖晶石分布表現(xiàn)為與盆地邊墻或者大型火山坑有關(guān)，代表了從一定深度上升而來(lái)的物質(zhì)，即深部地殼的原生物質(zhì)。

熔融一種富橄欖石和富長(zhǎng)石巖石的能產(chǎn)生尖晶石的混合物。熔融需要大量的熱，并且這種情況發(fā)生在地幔而不是地殼，地殼中橄欖石和輝石具有其他巖石殘留。撞擊熔融形成的粉色尖晶石是由富橄欖石和富斜長(zhǎng)石巖石組成。大型撞擊可能是充滿能量的，所以會(huì)產(chǎn)生大量的熱和沖擊巖漿，并且粉色尖晶石斜長(zhǎng)巖在隕石坑中央山峰和盆地環(huán)中有殘留[2]。

Fe/AL尖晶石可能是與深色地幔沉積物(mantle deposits，DMDs)相關(guān)的物質(zhì)，推測(cè)此類尖晶石是通過(guò)火山碎屑物的噴發(fā)到達(dá)月殼表面且與撞擊構(gòu)造無(wú)關(guān)。

1-地塹；2-垮塌構(gòu)造；3-月嶺；4-月溪；5-鋁尖晶石；6-地質(zhì)界線；7-斷層；8-環(huán)形構(gòu)造；9-較古老火山單元活動(dòng)時(shí)期；10-暗色地幔土壤；11-年輕火山單元活動(dòng)時(shí)期；12-古老火山單元活動(dòng)時(shí)期；13-研究區(qū)范圍圖6 澄海地區(qū)鋁尖晶石分布圖Fig.6 The distribution map of Al-spinel in mare serenitatis(注：M3解譯結(jié)果，地理坐標(biāo)系D-Moon2000)

5 結(jié) 論

鋁尖晶石光譜特征表現(xiàn)為2 000 nm附近的強(qiáng)吸收帶以及V-NIR短波區(qū)域(500～1 000 nm)無(wú)明顯特征；橄欖石和輝石在1 000 nm附近存在吸收特征，表明此類鋁尖晶石中缺乏或者含有極少部分的鐵鎂質(zhì)硅酸鹽。一般的月球高地的撞擊熔融即使已經(jīng)含有尖晶石，也不會(huì)形成粉色尖晶石斜長(zhǎng)巖，除非有一些例如會(huì)導(dǎo)致高含量尖晶石的晶體堆積過(guò)程。此次的解譯結(jié)論印證了這一結(jié)論，同時(shí)也提供了利用M3數(shù)據(jù)提取鋁尖晶石的合理途徑。

粉色尖晶石斜長(zhǎng)巖是由含有大量的Mg/Al尖晶石的組成，通常在月球樣品中不是特別富集。它需要足夠的結(jié)晶量或在巖漿體中累積。高溫實(shí)驗(yàn)研究了從月球表面到月殼底部的問(wèn)題：假設(shè)巖漿形成的巖石不僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械混合，更關(guān)鍵的是產(chǎn)生有著恰好結(jié)晶尖晶石的化學(xué)組成的巖漿[2,13]。粉色尖晶石斜長(zhǎng)巖不僅包含尖晶石和斜長(zhǎng)石，這意味著巖漿必須在斜長(zhǎng)石前或隨著斜長(zhǎng)石而結(jié)晶出尖晶石。橄欖石最先結(jié)晶，但可能會(huì)在富尖晶石巖石形成前消亡。然而，在反演計(jì)算過(guò)程中，不能移除過(guò)多的橄欖石，因?yàn)檫@可能造成巖漿中Fe/Mg比值增加，導(dǎo)致尖晶石中有過(guò)多的鐵，加深其粉紅色，從而得到一些錯(cuò)誤的結(jié)果。本文利用M3數(shù)據(jù)提取鋁尖晶石在澄海地區(qū)的分布情況，進(jìn)一步證實(shí)了高溫試驗(yàn)的假設(shè)，對(duì)于研究月殼巖石成因與巖漿演化具有重要意義。