基于M3數據的月球澄海區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，可以通過撞擊作用被帶到月表，其蘊含月殼深部甚至月幔的成分信息，對于研究月殼巖石成因與巖漿演化具有重要意義。同時尖晶石是巖石成因及條件的一種重要的標志，通過分析研究尖晶石來源、成因、結晶以及與共生礦物的關系，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M3(the moon mineralogy mapper)遙感分析[1]，月球礦物測繪器(M3)主要的科學目標是根據月球地質演變的背景來描述和繪制月球表面礦物組成圖，主要的勘探目標是以高空間分辨率評估和繪制月球礦產資源圖，以支持未來的有針對性的任務規劃。研究表明大多數為月球尖晶石富鐵(FeCr2O4：鉻鐵礦)或富鐵鈦(Fe2TiO4：鐵鈦尖晶石)，鎂鋁尖晶石少見。尖晶石通常發現于橄長巖中(一種由斜長石和橄欖石的堆積巖組成的高原鎂質巖石)。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體系中的穩定關系并將研究數據應用到月球礦物組合中。DALTON等[4]、MULCAHY等[5]通過探針分析研究尖晶石和硅酸鹽類共生結晶之間的關系，指出鉻鐵礦到鈦尖晶石的轉換與結核、斜長石的發育的熔融結果導致的組份變化有一定的關聯，其結晶過程與大部分巖石的冷卻過程相關且對于共生次序及生理化學環境變化相當敏感。MICHAEL等[6]在Apollo15和Apollo17的少量樣品中發現尖晶石碎屑。此后，MARVIN等[7]在Apollo15的表層樣品15295的橄欖尖晶石巖屑中發現8%的堇青石，堇青石與相關的鈣長石、橄欖石以及鐵鎂尖晶石代表了一種由火成尖晶石變質形成的富鎂月陸巖石。ARAI等[8]研究了月球的Asuka 881757號樣品，通過研究其中輝石和尖晶石的結晶特點發現：月海玄武巖中的尖晶石在部分結晶的過程中組分從Fe2TiO4轉變到FeCr2O4，A881757中的尖晶石為含Cr的Ti尖晶石，說明此類尖晶石結晶過程發生在一個相對晚的階段。尖晶石中TiO2和Cr2O3的含量不同可能反應其在一些列結晶過程中的不同階段。

2011年M3的項目負責人PIETERS以及他的科學團隊以M3含長石高地巖層中Moscoviense盆地(N27°，E146°)的成分數據為基礎，發現盆地西側內圈區域的光譜特征為富Mg-Al尖晶石[2]。與阿波羅樣品中的尖晶石不同，此次沒有發現指示鉻鐵礦的光譜特征，而且包含Mg-Al尖晶石的區域缺少其他的鎂鐵質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別。PIETERS等將新的巖石類型命名為粉紅色尖晶石斜長巖(PSA)[9-10]。產生正確組成的方法是熔融一種富橄欖石和富長石巖石的能產生尖晶石的混合物，熔融需要大量的熱，并且這種情況發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，該區域充填著大量的月海玄武巖,其物質組分信息揭露了大量關于月球熱演化及巖漿演化的歷史，澄海充填結束之后，月球受撞擊作用隨之減弱，基本處于穩定狀態。本文討論澄海區域地形、構造等地質背景，深入對比分析月球尖晶石的遙感光譜特征，采用數理統計的研究方法擬合Al尖晶石的波譜曲線，最終制定了M3數據反演Al尖晶石的流程，并據此分析了澄海區域M3數據，提取了該區域Al尖晶石分布情況。

1 月球澄海區域地質特征

1) 地形地貌。澄海是月海之一，位于月球面向地球的一側，面積約31萬km2。海面相當平坦，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]。隨后迎來月球火山爆發時期，噴發出的玄武巖熔巖淹沒了這些盆地，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(高程數據來源于Chang’E CCD數據)。

圖1 研究區內地貌及DEM分布圖Fig.1 Geomorphology and DEM distribution in the research area

澄海地區的月嶺表現出5個主要方向，其中4條與前月海紀的環形撞擊相關，普遍的北向延伸趨勢也很明顯(圖1)。主要月嶺走向與澄海盆地內部環形構造一致，整個體系具有不連續性，部分山脊以及許多連續性月嶺在走向上表現出一定變化。在澄海西部，山脊比中央盆地較高，形成地貌上的分界線。澄海地區的4條環形山脊體系也十分明顯，在貝塞耳山脊東部，形成一個直徑約170 km的小型山脊體系(圖1中B處)，東南部與澄海內部環形構造走向一致，B山脊體系單獨構成，西側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，內部表現出南北向的弧形構造貫穿澄海盆地中心區域，其北部與東部區域相對平坦，沿其四周分布有多條月溪及地塹。在澄海北東部，兩個由不連續的山脊和月嶺構成的環形體系十分明顯(圖1中C處)，北東向的“C體系”，直徑約400 km，從月海區域延伸至澄海環形構造當中，內部發育多條月溪，走向北西。在澄海北部，分布一個直徑約350 km的明顯的由山脊和月嶺構成的“D體系”(圖1中D處)，然而這些山脊被北東部的“C體系”截斷，表明“D體系”形成在“C體系”之前。

2)構造。通過疊加分析澄海表面特征與地形，7個火山單元組成了三個火山活動時期，最古老(Ⅰ)、中間(Ⅱ)、最年輕(Ⅲ)(圖2)。通過對澄海區域撞擊坑形態學分析獲得的火山單元的相對年齡[12]，表明月海構造的分布更傾向于斷代分布而非連續。澄海區域月海玄武巖同位素測年，樣品取自Ⅰ單元內Apollo17登月點，為1.65～3.84 b.y.，與之相關的暗色地幔土壤組份約3.7 b.y.。對于撞擊坑計數統計結果以及關于撞擊坑退化年齡研究認為，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 澄海地區地質構造略圖Fig.2 Geological structure of mare serenitatis area(注：底圖為M3第二波段反射率影像，地理坐標系D-Moon2000)

澄海地區的環形構造形成于酒海紀，大大小小數十個，基本分布于澄海四周。斷裂構造主要分布于澄海盆地的四周四角區域，基本與盆地高地相切(除東北角，斷裂呈垂直于盆地方向產出)(圖2)。澄海西部分布大量的風暴洋克里普巖質地體(Procellarum KREEP Terrane，PKT)，月殼主要由玄武巖、角礫巖、富鎂結晶巖套和堿性結晶巖套組成，少見斜長巖。澄海南部邊緣為TiO2高富集區，含量為6.5%～8.2%；FeO分布比較普遍，月海區域明顯高于月陸區域，分布特征與鈦元素有很高的相關性。月海區域主要富含鎂鐵礦物，月陸主要以斜長巖為主。

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，依據尖晶石族礦物MgAl2O4-Fe2+Al2O4-Fe2+Cr2O4(鐵鋁質尖晶石鉻鐵礦)獨有的光譜反射特性，可以通過分析獲得系統、量化的光譜成分的關系。研究表示，M3的遙感觀察結果顯示含鋁尖晶石作為一種全月分布的組份存在于整個月殼當中[11]，此前的研究中并未發現此類組分。正常尖晶石最顯著的光譜特征即Fe2+導致的在2 000 nm和2 800 nm的強吸收帶[1-2]。但是，晶場理論推測由于Fe2+在a 5T2-5E處的電子躍遷會在1 000 nm附近產生吸收帶，700 nm附近的波譜特征同樣與Fe2+有關[11](圖3)。

圖3 典型尖晶石礦物波譜(去連續統)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。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、貧鐵的鋁質尖晶石斜長巖。Fe-AL尖晶石在V-NIR表現出的光譜特征與Mg-Al(低Fe)明顯不同，特別是尖晶石表現出雙吸收谷特征(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)。出現該雙吸收特征的鋁質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數據特征及預處理

M3為月球礦物測繪儀，是一個高均勻性、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個波段，波譜分辨率10 nm，FWHM(半峰全寬)<15 nm；輻射范圍在0至飽和，采樣采用12 bits測算，線性響應到1%，絕對精度在10%以內，信噪比>400。依據觀測條件不同，M3數據分為OP1和OP2兩個光學周期，為高分辨率的目標模式(“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數據(空間分辨率均為140 m/pixel)，數據模式為全球模式數據(“G數據”)開展研究。

M3數據本身沒有地理及控制點信息，不能直接使用。本文使用的M3數據為反射率數據，與數據本身對應的控制文件M3MYYYYMMDDTHH-MMSS_VNN_LOC，其對應像素點位置存儲了經緯度以及高程數據，3個波段，前兩個為經度和緯度(以十進制表示)，最后一個波段存儲的為距離月核的距離高程數據；這里采用自編程序提取出M3數據地理控制點信息；設定月球橢球體參數為(長軸、短軸=1737400.0)，根據M3數據特點，推算出合適的像元大小(0.005°×0.005°)，進行地理幾何校正，誤差不大于2個像元。采用線性校正方式校正反射率數據，最后獲得具有地理信息的M3反射率數據。

3.2 尖晶石分布提取流程

將尖晶石礦物及相關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鐵尖晶石表現出強的吸收特征，而鋁尖晶石側吸收特征不明顯，在700 nm處則表現出一定的反射特征。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，與鋁尖晶石的區別主要體現在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在鐵尖晶石在1 000 nm處的強吸收特征，而Chromite礦物沒有這一吸收特征。

圖4 典型尖晶石礦物及相關礦物波譜特征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數據提取鋁尖晶石流程圖Fig.5 The process of extracting Al spinel from M3 data

依據上述分析，設計了針對M3數據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，所以設計了1 420 nm小于1 100 nm附近的反射率的數據為鋁尖晶石礦物。

4 結果與討論

圖6為依據上述討論方法提取的澄海地區的鋁尖晶石分布圖，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，集中分布于月嶺周邊，以及環形構造邊緣。鋁尖晶石分布表現為與盆地邊墻或者大型火山坑有關，代表了從一定深度上升而來的物質，即深部地殼的原生物質。

熔融一種富橄欖石和富長石巖石的能產生尖晶石的混合物。熔融需要大量的熱，并且這種情況發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石巖石組成。大型撞擊可能是充滿能量的，所以會產生大量的熱和沖擊巖漿，并且粉色尖晶石斜長巖在隕石坑中央山峰和盆地環中有殘留[2]。

Fe/AL尖晶石可能是與深色地幔沉積物(mantle deposits，DMDs)相關的物質，推測此類尖晶石是通過火山碎屑物的噴發到達月殼表面且與撞擊構造無關。

1-地塹；2-垮塌構造；3-月嶺；4-月溪；5-鋁尖晶石；6-地質界線；7-斷層；8-環形構造；9-較古老火山單元活動時期；10-暗色地幔土壤；11-年輕火山單元活動時期；12-古老火山單元活動時期；13-研究區范圍圖6 澄海地區鋁尖晶石分布圖Fig.6 The distribution map of Al-spinel in mare serenitatis(注：M3解譯結果，地理坐標系D-Moon2000)

5 結 論

鋁尖晶石光譜特征表現為2 000 nm附近的強吸收帶以及V-NIR短波區域(500～1 000 nm)無明顯特征；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硅酸鹽。一般的月球高地的撞擊熔融即使已經含有尖晶石，也不會形成粉色尖晶石斜長巖，除非有一些例如會導致高含量尖晶石的晶體堆積過程。此次的解譯結論印證了這一結論，同時也提供了利用M3數據提取鋁尖晶石的合理途徑。

粉色尖晶石斜長巖是由含有大量的Mg/Al尖晶石的組成，通常在月球樣品中不是特別富集。它需要足夠的結晶量或在巖漿體中累積。高溫實驗研究了從月球表面到月殼底部的問題：假設巖漿形成的巖石不僅是簡單的機械混合，更關鍵的是產生有著恰好結晶尖晶石的化學組成的巖漿[2,13]。粉色尖晶石斜長巖不僅包含尖晶石和斜長石，這意味著巖漿必須在斜長石前或隨著斜長石而結晶出尖晶石。橄欖石最先結晶，但可能會在富尖晶石巖石形成前消亡。然而，在反演計算過程中，不能移除過多的橄欖石，因為這可能造成巖漿中Fe/Mg比值增加，導致尖晶石中有過多的鐵，加深其粉紅色，從而得到一些錯誤的結果。本文利用M3數據提取鋁尖晶石在澄海地區的分布情況，進一步證實了高溫試驗的假設，對于研究月殼巖石成因與巖漿演化具有重要意義。