月球反射光谱学及应用

随着我国探月工程稳步开展以及未来深空探测需求,反射光谱学研究在我国重新受到重视。文中简要介绍了月球反射光谱学原理及其研究方法,并以“嫦娥三号”着陆场所在的雨海地区为例展示反射光谱学的部分应用。与背面斜长岩高地相对单调的光谱特征不同,雨海周边高地展示了多样性的吸收特征,岩石类型以苏长岩质岩石为主,橄榄石、辉石、尖晶石等矿物都有分布。月球上最古老的和最年轻的玄武岩在雨海盆地也都有分布。古老的中、低钛玄武岩以易变辉石为主兼有少量低钙普通辉石,年轻的高钛玄武岩富含橄榄石。雨海乃至整个风暴洋地区玄武岩较之其他月海玄武岩贫Ca。雨海地区的元素、矿物组成以及玄武岩时代都具多样性,该区是研究月球热演化的重要地区。     

基于辐射传输模型的月表铁镁质矿物定量反演:以嫦娥三号着陆区为例

我国嫦娥三号着陆于雨海北部的年轻玄武岩熔岩平原上,该区域的物质成分和矿物组成对于理解月球年轻的火山活动具有重要研究价值。月球全球勘探者(Lunar Prospector,LP)探测的元素数据揭示着陆区附近岩石类型主要为高铁中钛玄武岩(19.5%FeO;5.2%TiO_2)。本研究利用月球矿物绘图仪(Moon Mineralogy Mapper,M~3)获取的嫦娥三号着陆区附近的新鲜撞击坑高光谱数据,采用Hapke辐射传输模型和修正高斯模型(MGM)联合分析,对其年轻月海玄武岩铁镁质矿物进行了定量反演。研究表明该区域玄武岩中矿物组成以单斜辉石矿物为主,存在较高比例的橄榄石。基于光谱库匹配方法和MGM优化分析,我们反演出单斜辉石,斜方辉石,橄榄石和钛铁矿四种矿物的相对体积比为57.6:18.0:15.3:9.1,这一研究结果有待于与嫦娥三号玉兔号月球车上搭栽的红外成像光谱仪数据进行比对,以期从遥感和就位探测两个角度获得对于该地区矿物和岩石类型的全面认识。     

雨海地区晚雨海世-爱拉托逊纪月海玄武岩充填过程研究

月海玄武岩是月球四大岩类之一,主要充填于月球大型撞击盆地之中。月海玄武岩充填过程的研究,对于了解撞击盆地充填过程和月海玄武岩充填规律及活动规模,揭示月球的热演化历史具有重要意义。本文综合利用嫦娥一号LAM数据、CCD影像数据和Clementine UVVIS数据,对雨海地区的地形地貌、岩石化学组成进行了提取和分析,对雨海地区月海玄武岩进行了单元划分,并运用撞击坑尺寸-频率分布法对各月海玄武岩单元进行了表面年龄的估算。结果表明,雨海地区月海玄武岩随着时代变新钛和铁元素更加富集,总体上从晚雨海世至爱拉托逊纪由低钛低铁玄武岩向高钛高铁方向演化;月海玄武岩充填活动具有多期次性,每期月海玄武岩的充填流动大体上保持由南向北方向,并且活动规模逐步减小,相对年轻月海玄武岩对早期月海玄武岩的覆盖范围不断减小。正是这种玄武岩流动与覆盖关系和充填过程造成了雨海地区从南向北地势的逐渐降低,以及较老月海玄武岩在较北部地区出露。最后,根据雨海地区月海玄武岩单元在地形地貌、岩石化学组成与表面年龄上的相关性,我们提出雨海地区月海玄武岩经历了多期次逐层填充过程,且每期由南向北流动、规模逐步减小。     

浙江嵊县—新昌盆地新生代玄武岩中橄榄石、辉石、斜长石矿物化学及演化的研究

浙江嵊县—新昌盆地新生代玄武岩为橄榄拉斑玄武岩—碱性橄榄玄武岩—碧玄岩组合。根据124个矿物电子探针分析资料研究了橄榄石、单斜辉石和斜长石的种属、成分相关性及演化。根据矿物组合、单斜辉石化学成分和演化趋势以及岩石化学特征,认为本区玄武岩属于碱性玄武岩系列。     

月球风暴洋火山口暗物质矿物反演及地质意义

月表主要矿物的空间分布是研究月球起源及演化等科学问题的重要信息之一.以风暴洋地区为例, 根据不同矿物光谱在可见光-近红外波段的吸收特征, 使用印度M3(moon mineralogy mapper)数据, 应用波谱特征拟合法(SFF)反演了火山口附近暗物质区域的单斜辉石、斜方辉石、橄榄石和尖晶石等铁镁质矿物的分布, 反演结果显示: 风暴洋地区提取的铁镁质矿物分布较集中, 其中辉石含量较多, 橄榄石和尖晶石含量相对较少.另外着重分析了橄榄石、尖晶石与周围矿物的关系及其地质意义.将提取结果与Lucey用于Clementine影像的光学模型填图结果进行对比显示, 提取的橄榄石分布集中, 但不存在大尺度的分布, 这与本文的研究区域面积有关; 就位置而言, 二者具有较好的一致性.      

嫦娥三号着陆区月海玄武岩的年龄、成因及地质意义

月海玄武岩主要分布在月海中,由斜长石、辉石和橄榄石组成,与地球玄武岩相比,富铁而贫钠和钾。月海玄武岩的成因,年代和成分研究是理解月岩形成与演化的基础。月球返回的岩石样品数量和覆盖面积有限,并且CE-3号着陆区没有月球样品返回,所以地球上的实验室样品分析方法不能应用到CE-3号着陆区玄武岩研究。本文对CE-3号着陆区月表和下伏玄武岩的组分、来源、分布、年代和层序进行反演和分析。主要使用的研究方法主要包括:玄武岩单元的撞击坑频率-分布函数定年,基于撞击坑的月壤下伏玄武岩单元识别、划分及厚度反演,基于遥感数据的元素含量和矿物成分分析等。结果表明:(1)CE-3号着陆区至少出现了6次较大规模的岩浆充填事件,由新到老分别为EIm、EIm_1、EIm_2、Im、Im_1和Im_2,其中EIm单元年龄约为3.17Ga,Im单元年龄为3.48Ga;(2)研究区玄武岩单元铁元素成分变化不大,而钛元素含量有较大变化。并且玄武岩越年轻,铁和钛元素更加富集。对指示月表硅酸盐矿物的克里斯蒂安参数(CF)和弯曲指数(CI)进行计算,发现研究区没有高硅物质的分布;(3)研究区月海玄武岩充填活动具有多期次性,每期月海玄武岩的充填流动大体上保持由南向北方向,并且活动规模逐步减小;(4)下伏玄武岩单元EIm_1、EIm_2、Im、Im_1和Im_2的平均厚度分别为68.3m,68.6m,81.8m,59.1m和52.1m,其中EIm_1单元的厚度最大为150m,从西到东逐渐减小;Im_1最大深度为224m,位于研究区的北部,向东西两侧依次减小。     

云南哀牢山蛇绿岩的矿物学研究

云南哀牢山蛇绿岩由变橄榄岩、堆晶杂岩、火山熔岩和硅质岩等四个单元组成,其主要矿物有橄榄石,斜方辉石、单斜辉石、尖晶石、斜长石、角闪石、石榴子石等,这些矿物均已不同程度地遭到蚀变、橄榄石、斜方辉石的化学成分显示蛇绿岩中的二辉橄榄岩为原始地幔岩;是石的化学特征表明蛇绿岩中的橄榄岩为深海橄榄岩;单斜辉石的成分反映二辉橄榄岩经历过熔融作用,堆晶杂央才基性熔岩具有火山弧和洋底玄武岩的特征。     

四合屯玄武岩斑晶中单个熔体包裹体元素组成及其对岩浆演化的指示

玄武岩斑晶中熔体包裹体成分特征可以推断玄武岩源区物质组成,反映岩浆形成演化过程。利用LA—ICPMS对四合屯义县组玄武岩橄榄石、单斜辉石斑晶中单个熔体包裹体的元素组成进行了分析测试。研究结果表明,橄榄石、单斜辉石斑晶中的熔体包裹体在主、微量元素含量上表现出了比全岩更大的变化范围,但微量元素分配特征总体和全岩一致。单斜辉石斑晶中包裹体的CaO含量、CaO／Al2O3比值和Cr2O3含量随着单斜辉石Mg#值的降低而降低,反映了单斜辉石结晶分离的影响,Al2O3与Sr之间的显著相关关系则记录了斜长石结晶分离作用的影响,MgO—Ni和MgO—CaO／Al2O3的变化则反映了橄榄石的分离结晶作用。包裹体元素组成变化总体受橄榄石、单斜辉石和斜长石的结晶分离作用控制。结合前人研究成果,认为四合屯玄武岩在微量元素和同位素组成上的壳源组分特征可能部分地继承自原岩（即橄榄岩＋榴辉岩部分熔融体反应形成的（橄榄）辉石岩）,而不是岩浆上升过程中受地壳岩石混染的结果。高Mg#值单斜辉石斑晶中少量高Mg馆、高Si含量,低CaO、TiO2、Al2O3和微量元素含量的熔体包裹体反映玄武岩浆上升过程中受到了S1质岩石的混染,这与义县组玄武岩下伏地层为长城系大红裕组石英岩、石英砂岩的地质特征一致。因此,高Fo橄榄石斑晶中的熔体包裹体比采用向全岩中简单添加橄榄石方式计算出的原始熔体可能更能真实反映原始熔体组成。     

内蒙锡盟新生代玄武岩的岩石学研究

依照地层顺序和火山机构的完好程度,内蒙锡盟新生代玄武岩可粗略划分为三期。各期玄武岩又可分出若干层(次)。玄武岩由含量不等的橄榄石、单斜辉石和斜长石斑晶及基质组成。部分玄武岩含有二辉橄榄岩等深源包体。斑晶矿物均具有成分环带。矿物化学、岩石化学资料揭示出本区玄武岩从原生岩浆到进化岩浆的主要演化机制是以橄榄石为主的分离结晶作用,同时在部分进化岩浆中还存在岩浆混合作用。稀土元素资料还指出了一个形成本区原生岩浆以及派生岩浆的原生母岩浆的重要机制:上地幔渐进的部分熔融作用。     

月球雨海地区玄武质岩浆充填活动期次的重新厘定及地质意义

雨海盆地是月球上研究程度最高的多环结构盆地,月球上古老的和年轻的玄武岩在盆地中均有分布,因此雨海是研究月海玄武岩岩浆活动的理想区域。为了更合理的厘定雨海地区的玄武质岩浆演化历史,本文主要结合岩石学、年代学等工作对本区玄武岩的充填期次进行重新划分。利用嫦娥一号IIM光谱数据进行岩石类型分布图编制,初步划分了5类不同钛含量的月海玄武岩;基于高分辨率100m LRO宽视角影像数据通过撞击坑尺寸-频率定年法(CSFD)对本区玄武岩单元模式年龄进行厘定,共划分35个玄武岩单元,发现本区在3.49~2.23Ga均有玄武质岩浆充填活动,具有多期次性。在建立不同类别玄武岩、形貌特征与模式年龄的对应关系基础上,将玄武岩充填划分为4个期次:极低钛玄武岩(3.49~3.20Ga)、低钛玄武岩(3.29~2.83Ga)、中钛玄武岩(3.13~2.52Ga)、(极)高钛玄武岩(2.92~2.23Ga)。本区地形地貌高程特征与不同表面年龄的玄武岩单元之间总体上呈现出一定的负相关性。因此在本区玄武质岩浆期次划分考虑上,不仅要考虑玄武岩的成分特征,更要考虑结合与玄武岩演化密切相关的年代学及形貌学特征,利用形貌、成分数据和年代学信息来共同约束玄武质岩浆期次划分及演化历史。     

基于撞击坑自动识别的月球雨海北部地区(LQ-4)月海玄武岩定年研究

月球表面定年研究对于理解和重建月球地质演化历史具有关键作用,撞击坑尺寸频率分布法(CSFD)是通过统计区域内不同尺寸撞击坑密度得到特定地质单元的绝对地质年龄。雨海北部地区(LQ 4)包括雨海北部、冷海西部地区以及风暴洋东北部等月海,位于雨海西北边缘的虹湾是中国嫦娥三号卫星预选软着落区,文中综合使用3种方法从影像和地形数据中自动提取了该区内的撞击坑。利用Clementine光谱数据对雨海北部和风暴洋东北部内玄武岩进行了分区,利用撞击坑尺寸频度法(CSFD)法得到每个玄武岩分区内的定年结果。对比该地区之前的定年数据后发现,使用自动识别结果得到的各分区定年结果新老整体趋势上与之前研究结果基本一致,但存在一定偏差。根据自动识别定年结果,认为该地区玄武岩新老顺序大致为：雨海东部(3.56 Ga)-虹湾(3.38 Ga)-风暴洋东北部(2.74 Ga)-雨海西部(2.63 Ga)-柏拉图坑(2.37 Ga)。结合撞击坑自动识别技术和CSFD法,形成了一条利用影像和地形遥感数据快速得到月球表面地质年龄的方法,为月球年代学研究提供一种新途径。     

基于ArcGIS的月球虹湾地区数字地质图编制研究

虹湾幅月球数字地质图是中国首次编制的关于月球地质演化的地质图,应用的主要数据资料来源于"中国首次月球探测工程"嫦娥一号CCD影像数据、DEM数据,结合Clementine750nm影像数据,主要月坑的高分辨率图片,同时结合前人的研究成果,如主要矿物元素含量分布图、多波段反射率特征分布图等编制完成。所有的数据处理应用的是ArcMap平台,同时结合使用了MapGIS软件和Photoshop软件,数据模型采用Geodatabase地理数据模型。详细介绍了基于ArcGIS平台编制月球数字地质图的工作流程,编制方法及依据、编制规则及数据库的建立等,为今后开展月球数字地质图的编制积累了经验。     

月球南海地区玄武岩厚度估算

月海玄武岩是月幔部分熔融喷出月表而形成的,其厚度可以反映月海玄武岩源区的深度。研究月海玄武岩厚度,对进一步认识月球区域岩浆作用或火山作用的演化历史具有不可替代的作用,也能够为整个月球的热演化和岩浆演化提供基本的约束条件。同时,玄武岩厚度可以用以推测月球内部产生玄武岩岩浆的体积,对月球火山作用的岩浆喷发总量以及月球内部的热状态具有指示作用。本文基于多源遥感数据,综合利用撞击坑的形貌特征与月坑挖掘深度法对南海地区撞击坑内(crater)和撞击坑间(intercrater)两类玄武岩地层的厚度进行了估算,并对玄武岩的面积、体积、年龄及岩浆活动做了简单分析。研究结果表明：南海地区撞击坑内的玄武岩厚度变化范围为0.11~4.75 km,平均值约为1.32 km,玄武岩的出露面积和出露体积分别为57.06~10 791.66 km2和10.25~51 260.38 km3;撞击坑间的玄武岩厚度变化范围为0.01~2.18 km,平均值约为0.34 km,玄武岩的出露面积和出露体积分别为6 487.89~33 170.55 km2和2 711.97~11 609.69 km3。因此,南海地区玄武岩厚度的变化范围分布在0.01~4.75 km,平均厚度约为600 m,出露的玄武岩总面积约为2.12×105 km2,总体积约为2.71×105 km3。通过分析南海地区的玄武岩年龄及分布特征,发现南海地区内的岩浆喷发活动主要集中发生在雨海纪至爱拉托逊纪时期,且其局部区域存在多次岩浆喷发及充填过程,但由于晚期玄武岩岩浆的喷发总量不足以覆盖早期已形成的玄武岩,导致晚期玄武岩与早期玄武岩同时存在于同一个玄武岩单元内。南海地区独特的玄武岩分布特征也与地形有关。     

月海玄武岩与月球演化

月海玄武岩主要产于月球近边的盆地中,覆盖面积为月球表面的l％,其形成年龄多在39～31亿年之间,是各类月岩中最年轻的。与地球玄武岩相似,月海玄武岩由斜长石、辉石和橄榄石组成,但它们比地球玄武岩具有更低的Mg#、A1：0,、K和Na含量．高的FeO含量（大于16％）和变化范围大的TiO2含量（小于l％到大于13％）。根据TiO2含量的变化,月海玄武岩分成高Ti（〉6％）,低Ti（1．5％〈TiO：〈6％）以及极低Ti（〈1．5％）三类。所有月海玄武岩都具有Eu负异常,并亏损挥发性元素和亲铁元素。月海玄武岩的同位素特征指示其至少为三个组分混合的产物：（1）高：238U／204Pb、高87Sr／86Sr和负εNd组分,可能是岩浆海分异的残余岩浆即KREEP;（2）低：238U／204Pb、低87Sr／86sr和正εNd组分,来源于原始月幔,其熔融产物为低Ⅱ玄武岩;（3）中等87Sr／86Sr和εNd组分,位于月幔的顶部,经历了岩浆海（洋）过程中形成的堆晶物质的再熔融,还可能受到了陨击事件的影响,其熔融产物是高Ti玄武岩。月海玄武岩的元素和同位素地球化学性质支持岩浆海的假说,其源区的形成与岩浆海的分异密切相关,并经历了三个阶段：（a）岩浆海阶段,通过岩浆海的结晶分异形成顶部为斜长岩月壳,中间为高Ⅱ、富钛铁矿层,底部为巨厚的硅酸盐低Ti层的三层壳幔结构;（b）富钛铁矿堆晶岩（携带少量残余熔体）因密度大而下沉至下部的硅酸盐月幔（400km以下）;（C）月幔中这些不同源区的岩石发生减压熔融。早期由较浅的低熔点组分熔融形成低K高Ti玄武岩,之后形成来源较深的高Ti玄武岩和低Ti玄武岩。     

月球雨海北部陆地区域构造及其含义

月球雨海北部陆地是雨海多环盆地的第二层,平均高程约-1 km。DEM图像显示,大量来自虹湾与柏拉图月坑的掘积物使本地区高程变得非常不均一。统计了研究区内的月坑,并根据其深度与宽度之比(深宽比)将它们划分为4组。深宽比较小而扁率较大的月坑被认为是较古老的月坑。这些古老月坑分布于比较接近月海的位置。对研究区内线性构造的制图研究揭示了3个优选方位,分别是E—W、NEE—SWW和NW—SE向。这种分布样式与月球格子构造系统大致匹配,因而它们很可能形成于雨海事件之前。这些线性构造,包括断裂与月溪,在月海玄武岩泛滥时期为玄武质岩浆的侵入提供了大量通道。在研究区内一些地形较低的地点,玄武岩上侵并出露在月表,它们的FeO平均含量接近但是略低于月海玄武岩。总结了本地区的地质构造演化历史,并且推论月球上的确存在类月海的陆地。     

Petrology and geochemistry of LaPaz Icefield 02205: A new unique low-Ti mare-basalt meteorite

LaPaz Icefield 02205 (LAP 02205) is a new low-Ti mare-basalt meteorite that was discovered in the LaPaz Ice Field in Antarctica. This is the first crystalline lunar basalt in the US Antarctic collection and the only 5th unbrecciated mare-basalt meteorite to be discovered to date. The rock has a typical basaltic texture with tabular and elongated pyroxene and plagioclase crystals, and minor olivine grains commonly rimmed by pyroxenes. Core- to rim-zoning in terms of Fe and Mg is present in almost all pyroxene grains. Accessory minerals include ilmenite, chromite, ulvöspinel, troilite, and FeNi metal. This rock is highly enriched in late-stage mesostasis. Free silica is also abundant. In terms of texture and mineralogy, LAP 02205 displays features of low-Ti mare basalts, with similarities to some low-Ti Apollo 12 and Apollo 15 basalts. Whole-rock major- and trace-element compositions confirm the highly fractionated nature of this basalt. The whole-rock REE contents of the meteorite are the highest among all known low-Ti mare basalts. The platinum group element (PGE) contents in LAP are also enriched suggesting the possibility of endogenously enriched source regions or the PGEs generally behaved as incompatible elements during crystal fractionation under low fO₂ conditions. Trace-element contents of mineral grains in LAP 02205 display wide variations, suggesting extensive non-equilibrium crystallization. The REE concentrations in the earliest-formed minerals provide constraints on the composition of the parental liquid, which is similar to the measured whole-rock composition. Crystallization modeling of the LAP 02205 bulk composition yields a reasonable fit between predicted and observed mineral phases and compositions, except for the high-Mg olivine cores, which are observed in the rock but not predicted by the modeling. An isochron age of 2929 ± 150 Ma for phosphate minerals makes this rock one of the youngest lunar basalts known to date. The young age and specific geochemical characteristics of LAP distinguish it from those of most other low-Ti mare basalts. However, the low-Ti mare basalt meteorite, NWA 032, has a similar young age, and the two meteorites also appear to be closely related from some geochemical perspectives and might have originated from similar source regions on the Moon.     

The oxygen isotope composition, petrology and geochemistry of mare basalts: Evidence for large-scale compositional variation in the lunar mantle

To investigate the formation and early evolution of the lunar mantle and crust we have analysed the oxygen isotopic composition, titanium content and modal mineralogy of a suite of lunar basalts. Our sample set included eight low-Ti basalts from the Apollo 12 and 15 collections, and 12 high-Ti basalts from Apollo 11 and 17 collections. In addition, we have determined the oxygen isotopic composition of an Apollo 15 KREEP (K - potassium, REE - Rare Earth Element, and P - phosphorus) basalt (sample 15386) and an Apollo 14 feldspathic mare basalt (sample 14053). Our data display a continuum in bulk-rock δ¹⁸O values, from relatively low values in the most Ti-rich samples to higher values in the Ti-poor samples, with the Apollo 11 sample suite partially bridging the gap. Calculation of bulk-rock δ¹⁸O values, using a combination of previously published oxygen isotope data on mineral separates from lunar basalts, and modal mineralogy (determined in this study), match with the measured bulk-rock δ¹⁸O values. This demonstrates that differences in mineral modal assemblage produce differences in mare basalt δ¹⁸O bulk-rock values. Differences between the low- and high-Ti mare basalts appear to be largely a reflection of mantle-source heterogeneities, and in particular, the highly variable distribution of ilmenite within the lunar mantle. Bulk δ¹⁸O variation in mare basalts is also controlled by fractional crystallisation of a few key mineral phases. Thus, ilmenite fractionation is important in the case of high-Ti Apollo 17 samples, whereas olivine plays a more dominant role for the low-Ti Apollo 12 samples.Consistent with the results of previous studies, our data reveal no detectable difference between the Δ¹⁷O of the Earth and Moon. The fact that oxygen three-isotope studies have been unable to detect a measurable difference at such high precisions reinforces doubts about the giant impact hypothesis as presently formulated.