基于太空風化的尖晶石二向性反射特性研究

張淵智,安璐,黃朝君

(1.中國科學院國家天文臺月球與深空探測重點實驗室,北京100012;2.北京科技大學數(shù)理學院,北京100083; 3.香港中文大學深圳研究院,深圳518057)

基于太空風化的尖晶石二向性反射特性研究

張淵智1,安璐2,黃朝君3

(1.中國科學院國家天文臺月球與深空探測重點實驗室,北京100012;2.北京科技大學數(shù)理學院,北京100083; 3.香港中文大學深圳研究院,深圳518057)

簡要介紹了不同太空風化條件下尖晶石的光譜特性,特別是利用Hapke模型計算了不同太空風化條件下尖晶石的二向性反射率分布特征。模擬的結(jié)果顯示,對M3數(shù)據(jù),可比較0.6μm和1.9μm附近的吸收特征;對IIM數(shù)據(jù),則需要先分析太空風化程度,然后比較0.6μm和0.9μm附近的吸收特征來判斷是否為尖晶石。該結(jié)論為選擇探月傳感器的波段組合識別尖晶石提供了依據(jù),也為應用M3數(shù)據(jù)和“嫦娥1號”IIM數(shù)據(jù)的尖晶石判別奠定了基礎(chǔ)。

尖晶石;光譜特征;Hapke模型;太空風化

0 引 言

盡管人類已經(jīng)能夠從月球采集樣品進行實驗室分析,但遙感技術(shù)仍然是研究月球的主要手段。月球遙感的主要內(nèi)容之一就是定性或定量地研究月球礦物的組成。研究月球表面的礦物類型,不僅可以揭示月球的演化歷史,而且也可以為研究太陽系及其行星、衛(wèi)星早期演化的歷史提供重要科學信息和依據(jù)。

月表礦物分布探測主要利用軌道探測器上搭載的光學傳感器來實現(xiàn)。針對月球礦物分布的研究,目前主要集中在反演月球的主要礦物:斜長石、鈦鐵礦、橄欖石和輝石的分布研究。由于尖晶石屬于月球次生礦物,月表含量低,加之太空風化的影響,故尖晶石礦物分布的探測難度很高。

Pieters等在2010年第41屆月球與行星科學大會上首次報告了他們的科學發(fā)現(xiàn),即利用探月高光譜數(shù)據(jù)在月球背面發(fā)現(xiàn)了以含鎂尖晶石為主、輝石或橄欖石含量小于5%的含鎂尖晶石礦物[1]。該發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學界對于月球尖晶石成因的討論。

目前關(guān)于尖晶石的成因,有兩種假說,一種是由接觸變質(zhì)作用形成;另一種是由巖漿結(jié)晶作用形成。因此探測月球尖晶石的分布位置及其特征成為研究月球尖晶石成因的關(guān)鍵。

2012年Bhattacharya等在月球正面發(fā)現(xiàn)了含鎂尖晶石及OOS(輝石-橄欖石-尖晶石)礦物組合[2]。Prissel等在2012年[3]發(fā)表了對月球撞擊坑內(nèi)尖晶石分布特征的分析,其研究結(jié)果支持關(guān)于尖晶石成因的上述第一種假說。此外,Prissel等通過模擬月幔環(huán)境討論了含鎘尖晶石的形成環(huán)境,并認為可以利用遙感手段,通過尋找月表含鎘尖晶石來判斷月球含鎂巖漿巖的位置[4]。

對于大多數(shù)物質(zhì),反射光譜的吸收特征能夠敏感地指示其礦物和化學成分。因此物質(zhì)吸收特征的中心、強度和波形是識別礦物的重要依據(jù)。本文以Relab實驗室提供的尖晶石礦物光譜曲線為基礎(chǔ),利用Hapke模型模擬不同太空風化條件下的尖晶石光譜特征,為后期研究月表尖晶石分布提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 問題的提出

近年來,隨著成像技術(shù)的發(fā)展,高光譜遙感數(shù)據(jù)已廣泛應用于月表地質(zhì)信息的探測研究中,并取得了許多研究成果。這些數(shù)據(jù)包括日本“月女神”衛(wèi)星攜帶的Spectral Profiler探測器、中國“嫦娥1號”衛(wèi)星上攜帶的干涉成像光譜儀(interference imaging spectrometer,IIM)以及“月球飛船1號”(Chandrayaan-1)衛(wèi)星上攜帶的美國探月儀器“礦物繪圖儀”(moon mineralogy mapper,M3)探測器。

關(guān)于月球尖晶石的探測,現(xiàn)階段主要是利用去除連續(xù)統(tǒng)的方法來突出光譜曲線的吸收、反射特征,通過比較特定波段范圍下的吸收深度來判斷是否含有尖晶石。

M3數(shù)據(jù),波段范圍為0.405～3.000μm,共260個波段,光譜分辨率約為0.01μm,它覆蓋了月表礦物的主要光譜特征。我國“嫦娥1號”攜帶的光譜儀IIM在可見光范圍下與M3探測器的光譜分辨率相近,其波段范圍為0.48～0.96μm,共32個波段,(0.48μm波段光譜分辨率為7.62 nm,0.96μm波段光譜分辨率為29 nm)。

為了對月球尖晶石進行探測研究,需要針對不同探測器的波段,提取相應的有效的吸收位置和吸收深度進行判斷。

2 尖晶石光譜特征

尖晶石(Spinel,Mg Al2O4)是橄長巖的主要礦物,但在月海玄武巖中為次要礦物,在月球表面分布較少。由于Fe2+的存在,地球尖晶石光譜在0.46、0.93和2.8μm附近具有較強的吸收。由于Al和Fe3+的存在,在0.93μm處也有吸收特征。由于Cr的存在,在0.55μm處可見吸收特征。

由于尖晶石礦物稀少,目前還沒有月球尖晶石礦物的光譜曲線,因此圖1中尖晶石光譜使用的是Relab光譜庫中的地球尖晶石礦物的光譜曲線(SPECA-016),該尖晶石礦物粒徑范圍為0～45μm。

圖1 尖晶石反射光譜(SP-ECA-016)Fig.1 Reflectance feature of spinel(SP-ECA-016)

3 太空風化模擬方法

Heiken等在文獻[5]中認為,由于月球沒有大氣圈,月球物質(zhì)直接暴露在太陽風、宇宙射線及隕石的撞擊下,在長期的地質(zhì)演化過程中月壤遭受強烈的太空風化。月表太空風化過程會改變月表光譜特征,從而影響月表礦物反演精度。

在假設(shè)月表為各向同性的標準朗伯面的前提下,Hapke等在文獻[6]中給出模型可以簡化為二向反射率r和單次反照率w的關(guān)系:

式中:μ0和μ分別為入射角和出射角的余弦值;g為相位角;B(g)為后向散射函數(shù);P(g)表示單個顆粒散射相函數(shù);H(x)為描述多項散射的函數(shù)。

月表物質(zhì)光譜的主要影響因素之一為太空風化,Hapke等在文獻[7]中提出太空風化程度可以利用SMFe進行表述,具體可表述為單次反照率和礦物折射系數(shù)的實部n、吸收系數(shù)α、散射系數(shù)s及粒徑D的關(guān)系

特別的,當顆粒物無內(nèi)部散射時,該散射過程為單次透射,有s=0,Θ=exp[-αD]。

其中,粒徑D可用等效粒徑DP替代

式(4)中:DU為最大粒徑;DL為最小粒徑。

吸收系數(shù)α是主要礦物的吸收系數(shù)αh和單質(zhì)鐵的吸收系數(shù)αFe之和。

其中,αFe和風化程度f的關(guān)系為

其中,ρh和ρFe分別是主要礦物和單質(zhì)鐵的密度,z可表述為

式中:nFe和kFe分別為單質(zhì)鐵折射率的實部和虛部; nh是主要礦物的折射率實部。

計算礦物太空風化條件下的二向性反射率的計算方法如下:

1)設(shè)置不同的太空風化程度f;

2)利用式(7),根據(jù)太空風化程度f,計算z;

3)計算等效粒徑DP,則有:αD=αhD+αFeD;

4)由Θ=exp[-αD]和式(2)、(3)計算單次反照率w;

5)由式(1)計算不同太空風化條件下的二次反射率r。

4 基于太空風化的尖晶石光譜特征

文獻[8]給出尖晶石折射率實部n與波長λ的關(guān)系可表述為

文獻[9]給出單質(zhì)鐵的折射率虛部和實部,本文設(shè)置太空風化程度分別為f=0,0.1%,0.2%, 0.5%,1.0%,1.5%和2.0%。

計算出不同太空風化條件下的尖晶石的二向性反射率,如圖2所示。

圖2 不同太空風化條件下的尖晶石二向性反射率Fig.2 Bidirectional reflectance feature of the spinel based on different levels of the space weathering

不同太空風化條件下,尖晶石反射率在1.9μm左右的位置均有明顯的吸收。

反射率隨太空風化作用的加強而減弱。特別是在波長0.3～1.6μm范圍內(nèi),反射率曲線隨f的增加而趨向平滑,0.56μm處的吸收谷逐漸不明顯。

月球礦物的探測,現(xiàn)階段主要是利用去除連續(xù)統(tǒng)的方法來突出光譜曲線的吸收、反射特征,通過比較特定波段范圍下的吸收深度來判斷是否含有相應的礦物。為清楚地顯示出尖晶石的吸收特性,對各反射率去除連續(xù)統(tǒng),如圖3所示。

連續(xù)統(tǒng)去除后,不同太空風化條件下的尖晶石反射率在0.6μm左右仍能找到吸收,且在0.4μm處附近有微小的吸收。此外,當f≤0.5%時,在0.9μm處有吸收谷;當f≥1%時,0.9μm附近吸收不明顯。

對于M3數(shù)據(jù),可通過比較0.6μm和1.9μm附近的吸收特征來尋找月表尖晶石分布。

然而,對于IIM數(shù)據(jù),則需要首先探討太空風化的程度,然后再比較0.6μm和0.9μm附近的吸收特征來尋找月表尖晶石分布。

圖3 連續(xù)統(tǒng)去除后的尖晶石光譜二向性反射率Fig.3 Bidirectional reflectance feature of the spinel based on continuum-removed

5 結(jié) 論

由于尖晶石屬于月球次生礦物,月表含量低,其光譜信息易被淹沒在其他礦物信息中,加之太空風化的影響,利用探月傳感器探測尖晶石礦物分布難度很高。

本文利用Hapke模型模擬了不同太空風化條件下尖晶石的二向性反射率。模擬結(jié)果顯示,尖晶石在1.9μm附近有較寬的吸收帶谷。當太空風化較強時(f=2%),通過去除連續(xù)統(tǒng),0.6μm附近也有吸收谷。

此外,單質(zhì)鐵的含量(即f值),會影響0.9μm附近尖晶石的吸收特征。因此尋找月表尖晶石分布,可通過比較0.6μm和1.9μm附近的吸收特征來完成。

對于不同的探月傳感器,需要通過比較不同波段下的吸收特征來確定尖晶石的分布。如對M3數(shù)據(jù),可比較0.6μm和1.9μm附近的吸收特征;對IIM數(shù)據(jù),則需要先分析太空風化程度,然后比較0.6μm和0.9μm附近的吸收特征來判斷是否為尖晶石。

[1]Pieters,C M,Boardman J,Buratti B,et al.Identification of a new spinel-rich lunar rock type by the Moon mineralogy mapper(M3)[C]∥Lunar and Planetary Science Conference. Houston,USA,2010.

[2]Bhattacharya,Satadru,Prakash Chauhan,et al.Mg-spinelrich lithology at crater Endymion in the lunar nearside[C]∥39th COSPAR Scientific Assembly.Moscow,Russia,2-10 August 2014.

[3]Prissel T C,Parman S W,Jackson C R M,et al.Meltwallrock reactions on the Moon:experimental constraints on the formation of newly discovered Mg-Spinel anorthosites[C]∥Lunar and Planetary Institute Science Conference. Houston,USA,2012.

[4]Prissel T C,Parman S W,Jackson C R M,et al.Pink Moon:The petrogenesis of pink spinel anorthosites and implications concerning Mg-suite magmatism[J].Earth and Planetary Science Letters,2014(403):144-156.doi: 10.1016/j.-epsl.2014.06.027.

[5]Heiken D,Vaniman,French B M.Lunar sourcebook:a user's guide to the moon[M].New York:Cambridge University Press,1991.

[6]Hapke B W,Cohen A J,Cassidy W A,et al.Solar radiation effects on the optical properties of Apollo 11 samples[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta Supplement,1970:2199. [7]Hapke B.Space weathering from mercury to the asteroid belt [J].Journal of Geophysical Research,2001,106(E5): 10039-10073.

[8]Bass M,DeCusatis D C,Enoch J M,et al.Enoch handbook of optics[M].[S.l.]:McGraw-Hill,2009.

[9]Johnson P,Christy R.Optical constants of transition metals: Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni and Pd[J].Phts.Rev.,1974, B9:5056-5070.

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[責任編輯:高莎]

The Study of Bidirectional Reflectance Feature of the Spinel Based on the Space Weathering

ZHANG Yuanzhi1,AN Lu2,HUANG Zhaojun3
(1.Key Lab of Lunar and Deep-space Exploration,National Astronomical Observatories,CAS,Beijing 100012,China; 2.School of Mathematics and Physics,Beijing University of Science and Technology,Beijing 100083,China 3.Shenzhen Research Institute,the Chinese University of Hong Kong,Shenzhen 518057,China)

This paper briefly introduces the bidirectional reflectance feature of spinel based on space weathering. The distribution of the bidirectional reflectance feature of spinel under the different conditions of space weathering was simulated using the Hapke model.The results show that the absorption features at 0.6μm and 1.9μm could be used to determine spinel when the Moon Mineralogy Mapper(M3)data is applied.However,when the Chang'e-1 Interference Imaging Spectrometer(IIM)data is used,the space weathering level should be first analyzed,and then the absorption features at 0.6μm and 0.9μm could be applied to identify the mineral.These results provide the basis of identifying spinel using absorptive positions and depths of the spinel,which can also be applied to M3data and Chang'e-1 IIM data processing.

spinel;spectral feature;Hapke model;space weathering

TP79;S15

:A

:2095-7777(2014)03-0210-04

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.03.008

張淵智(1964—),男,教授,博士生導師,主要研究方向:環(huán)境遙感,月球與行星遙感。

2014-07-25

2014-08-17

國家自然科學基金(41271434);中國科學院月球與深空探測重點實驗室基金;深圳市基礎(chǔ)研究項目計劃(JCYJ20120619 151239947)