微波雷达在嫦娥探月工程中的应用

微波穿透雷达对月球的观测方式可以分为地基、星载环绕、星地联合以及就位探测等。对比其他探测手段,微波雷达在探测范围和空间分辨率上有很明显的优势,因此在月球和其他行星探测中起着重要的作用。国内外越来越多的深空探测任务已经或准备携带微波雷达,用于探索地外天体的浅表层地质结构,以了解行星地质过程和演化历史。本文综述了我国嫦娥三号和四号月球车玉兔号和玉兔2号在就位微波雷达(测月雷达)探测月球浅表层地质结构方面所取得的新进展,重点阐述了测月雷达在揭示月壤内部的精细结构、表层与次表层地质结构探测等方面的应用。最后,展望了我国月球微波雷达的发展趋势。     

月表线性构造自动提取新方法研究:以澄海地区月岭为例

月岭作为月球表面上最常见的线性构造之一,可以反映月球区域性的构造特征和应力状态,对研究月球地质演化有着重要意义。前人对线性构造的解译方式通常是以人工目视解译为主,应用遥感影像数据和激光高度计数据等对月表线性构造进行解译和提取。随着数据精度的提高,以及对研究效率的要求,形成一种行之有效的线性构造自动提取方法具有必要性。文中以地形曲率为原理,借鉴前人应用地形曲率提取地表特征线的方法,以“嫦娥一号”CCD2C影像数据和LOLA激光高度计数据和LRO的宽视角影像数据为基础,以澄海为研究区域,进行线性构造的自动提取。研究区试验结果表明,文中提出的基于地形曲率的方法是可行的,并与人工解译的月岭结果进行对比,发现精确度更高,反映地形变化更为明显,为进一步研究构造演化提供基础,提高解译效率和精度。     

基于相干特征的岩石薄片序列图像边缘提取及颗粒分割

针对岩石颗粒边缘模糊、结构复杂的特点,为了更有效地识别颗粒边缘,在基于特征值的C3相干算法的基础上,融合多尺度和多角度的特征表达,提出了一种改进的C3相干算法。该算法综合考虑岩石薄片图像角度域光学特征、空间尺度信息和各向异性信息,能更有效地表征颗粒边缘特征,表现出对复杂矿物结构的适应能力。在采集的岩石薄片正交偏光图像上验证提出的算法,实验结果表明,与原生C3相干算法相比,改进后的C3相干算法在全局图像上的方差和灰度差分乘积分别提升了68.41%和22.91%,信息熵下降了21.61%。     

基于嫦娥一号卫星数据的柏拉图(Plato)月坑地质研究

通过CCD图像对Plato坑周围区域的线性地貌进行解译和构造方位统计,发现2组明显的线性构造优选方向,一组为NNE—SSW向,一组NWW—SEE向。分析后认为,这是在早期区域应力场作用下形成的,之后受到雨海事件和Plato事件的影响发生再活动,但是区域总体构造格架基本保持不变。使用IIM光谱研究发现,溅射物造成了Plato坑西部和东部在光谱上的差异。坑底玄武岩相对月海玄武岩基性物质含量要低,结合DEM分析认为坑底玄武岩并非从单点溢出。通过对Plato坑壁因垮塌而出露基岩的光谱研究和对本区域平底型月坑宽深比的统计,认为本区域属于高地与月海过渡的地区,在物质成分上受到雨海堆积物的影响而含有较多的低反射率基性物质。最后尝试性地对该地区的地质演化过程进行了推演,得出对本地区地质演化的粗略认识。     

月表线性构造定量提取与演化分析:以静海月岭、月溪为例

线性构造是月球表面除环形构造外另一种重要的构造样式,呈线状延伸。月表线性构造种类繁多,其成因也具有多样性。它能反映全月球或者区域性的构造特征与应力状态,在某种程度上反应月球内部的地质信息,对研究月球的构造演化有重要的意义。文中以静海地区为例,经过对“嫦娥二号”CCD的影像数据及从中提取的DEM数据进行解译,提取出了284条月岭和71条月溪,并对月岭月溪进行分类和统计分析,然后结合静海地区线性构造的分布特征及坡度图、等值线图,分析其演化过程。结果表明,静海地区的月溪月岭大部分分部在西部高程较低的区域;静海盆地月溪的形成时间与盆地形成及玄武岩的填充时间大致相同,月岭的形成时间大致与撞击坑的形成时间相同;静海盆地中一端延伸至撞击坑的月岭形成模型属于火山成因模型中的堤坝模型。     

月表撞击坑自动识别与提取的新方法及其应用

月表撞击坑是月球最显著的地质构造特征。随着不同月球探测器探测数据的丰富与数据质量的提高,月表地质信息挖掘成为月球科学领域重要的研究内容。月表分布广泛的撞击事件的撞击机理研究和月表地质单元的地质年龄的判定等科学问题都离不开对撞击坑的研究。因此,对撞击坑进行识别和特征参数提取是挖掘以上月表地质隐含信息的基础和关键。针对目前用于撞击坑识别和特征参数提取的方法存在效率低下、应用范围有限等种种缺陷,提出了一种新的月表环形构造识别和特征参数提取方法,并且实现了定量自动化处理。首先,根据撞击坑环形构造特征,利用坡度指数提取坑壁多边形矢量要素;其次,提出并采用环形构造最小外包矩形法提取撞击坑的伪中心与伪直径;然后,以伪中心为中心点向外搜寻并确定撞击坑坑缘顶点;最后,利用三点定圆法确定撞击坑的中心位置和直径大小。以嫦娥一号CCD相机影像数据和利用CCD立体相机制作的DEM数据为数据源,选取不同区域、不同类型的月表撞击坑进行试验,并将计算结果与目前研究成果进行对比。结果验证表明,此方法可以推广到月表其他表面,并可应用于月表撞击坑形成机理研究和利用撞击坑大小频率分布测量的方法确定月表地质单元的地质年龄工作中。     

基于边缘提取算法的岩层三角面产状半自动提取

岩层三角面的准确识别和快速检测是利用遥感技术获取地表地层产状信息的有效途径.提出了利用高分辨率卫星遥感立体像对,通过自动迭代调整高斯分布模型方差的Canny边缘检测算法实现岩层三角面半自动检测和地层产状快速提取方法.以南天山吐格尔明背斜为实验区,使用Worldview-2立体像对构建数字高程模型和0.5 m分辨率的数字正射影像,利用岩层三角面检测算法提取实验区的岩层三角面和产状.结果表明,提出的方法客观高效,提取准确率达到90.2%,能够准确反映构造趋势的变化,为复杂构造带的地表建模和构造分析提供依据.      

基于嫦娥一号卫星激光高度计数据的月表有效反射率

月壤厚度反演是我国月球探测的重要科学目标之一,其重要影响因素之一就是月球表面的有效反射率.前人在月壤厚度反演研究中使用了光滑月表反射率模型,使得月表水平极化反射率和水平极化反射率分别为0.063和0.028(观测角:30°).然而,月球表面是非常粗糙的,必须建立适合粗糙月球表面的有效反射率模型.因此,以嫦娥一号卫星微波辐射计数据的空间分辨率(3 GHz通道,56 km×56 km)为标准,利用每个微波辐射计像元范围内的激光高度计数据(8×8个)建立相应的粗糙月表模型.然后,基于Q/H模型,进行月球表面的有效反射率研究,生成了观测角为30°时月球表面水平极化有效反射率和垂直极化有效反射率分布图.结果表明,月球表面的粗糙性对月表反射率影响很大,使得水平极化反射率降低,局部地区降至0.050;垂直极化反射率增加,局部地区可达0.040,增幅达40%.     

北京山前平原区第四系三维结构调查方法研究

随着我国城市化进程的加快,城市供水、地下空间资源利用、建筑物地基处理、垃圾安全处置等工作,越来越与地质工作紧密相关,特别是许多在第四纪沉积物基础上建设的大都市,都面临着地震、活动断裂、地面沉降、水资源紧缺、建设空间不足、环境恶化等方面的威胁。北京市作为世界上少数几个著名的巨型城市之一,也面临着同样的问题。这些城市的生存和发展与第四纪松散沉积物关系密切,为了预防或减少上述问题的发生,需要详细了解第四系的三维地质结构,提供地质体空间详实的展布资料。本文在详细地介绍了北京平原区第四系的分布、类型和特点的基础上,对北京市平原区第四纪松散沉积物开展三维地质结构调查的方法进行了深入研究,提出了建立三维地质结构模型的步骤和程序。在此基础上建立了北京平原区三维立体地质结构数字模型。为在城市地区开展第四纪地质调查工作进行了新探索,并取得了较好的效果。     

封闭压力酸溶-盐酸提取-电感耦合等离子体质谱法测定地质样品中的多元素

高温、高压封闭压力酸溶可有效分解岩石、土壤、沉积物等地质样品,采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)进行测定,大部分元素可得到满意的回收率;但Zr、Hf、REEs、Rb、Th、U等元素用硝酸复溶困难,测定结果不准确。本文对传统的封闭压力酸溶方法进行改进,用盐酸复溶提取代替硝酸复溶提取,ICP-MS法测定岩石、土壤、沉积物等国家一级标准物质中Li、Be、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Mo、Cd、In、Cs、Ba、Ti、Zr、Nb、Sn、Sb、W、Hf、Ta、Tl、Pb、Bi、Th、U以及稀土元素(REEs)等46个元素。将原方法中的称样量25 mg加大至100 mg,溶样时间由12 h延长至48 h,有效地解决了取样代表性及HNO3复溶提取时Rb、Sr、REEs等元素测定结果偏低的问题。分析结果表明,除元素As和V在电感耦合等离子体质谱测定中存在Cl的干扰不能准确测定之外,其他44个元素的测定值与标准值基本一致。改进后的方法测定下限为0.01～0.85μg/g,精密度(RSD,n=10)为0.73%～13.1%,准确度小于<10%。方法准确、可靠,适用于各种不同种类地质样品的分析。     

Copper Speciation in a Collection of Geochemical Reference Materials Using Sequential Extraction and Evaluation of the Validity Using XANES Spectroscopy

Copper speciation in a collection of Japanese geochemical reference materials (JSO‐1, JLk‐1, JSd‐1, ‐2, ‐3 and ‐4, JMs‐1 and JMs‐2) was achieved by sequential extraction and characterised using X‐ray absorption near‐edge structure spectroscopy. In the first step of the extraction, referred to as the acid fraction, between 1% and 20% total Cu within the reference materials was extracted. Such a result is typically accounted for by absorption of Cu onto clay minerals. However, the presence of Cu sulfate (an oxidation product of chalcopyrite) was observed in some of the stream sediments affected by mining activity (JSd‐2 and JSd‐3) instead. Copper was extracted in the reducible fraction (targeting Fe hydroxide and Mn oxide) (2–49% total Cu). Between 2% and 51% Cu was extracted in the oxidised fraction (targeting sulfides and organic matter). X‐ray absorption near‐edge structure spectroscopy clarified that the reducible fraction consisted of Cu bound to Fe hydroxide, whereas the oxidised fraction was a mixture of Cu bound to humic acid (HA) and Cu sulfide. In the oxidisable fraction, chalcopyrite was the predominant species identified in JSd‐2, and Cu bound to HA was the major species identified in JSO‐1 (a soil sample).     

Speciation Study of Cr in a Geochemical Reference Material Sediment Series Using Sequential Extraction and XANES Spectroscopy

Speciation of Cr in geochemical reference materials was characterised by sequential extraction and X‐ray absorption near‐edge structure (XANES) spectroscopy to identify Cr(III) resulting from the reduction of pollutant Cr(VI). Sequential extraction suggested that the amount of Cr associated with an acetic acid soluble fraction was low; Cr associated with a reducible phase and an oxidisable phase was extracted at 5–10% of the total Cr concentration, and the residual phase was found to be the dominant Cr‐containing fraction. Cr speciation in soil artificially doped with Cr(VI) and sediment samples collected from highly populated and industrialised areas was different from that in naturally occurring materials. Substantial Cr was extracted as a reducible phase (15–30%) and an oxidisable phase (30–60%) for these samples. Through subsequent XANES spectroscopy analysis, the reducible phase was explained by Cr bound to Fe hydroxide, while the oxidisable phase was a mixture of Cr bound to humic substances and Cr hydroxides. That is, Cr(VI) present as a contaminant in sediments and soils was reduced to Cr(III), which then bound to Fe hydroxide and humic substances, precipitating as a hydroxide. Thus, a combination of sequential extraction and XANES spectroscopy allows for effective identification and quantification of the chemical forms of Cr in sediments and soils.