基于M3数据的月球澄海区域的铝尖晶石提取及分布探究

王 翔

(北京新兴华安智慧科技有限公司，北京 100083)

0 引 言

月球镁尖晶石矿物隶属于月球深成岩，可以通过撞击作用被带到月表，其蕴含月壳深部甚至月幔的成分信息，对于研究月壳岩石成因与岩浆演化具有重要意义。同时尖晶石是岩石成因及条件的一种重要的标志，通过分析研究尖晶石来源、成因、结晶以及与共生矿物的关系，探索月球矿物岩石的成因和起源。

月球上尖晶石的研究部分源于Apollo、LUNA样品，大部分通过M3(the moon mineralogy mapper)遥感分析[1]，月球矿物测绘器(M3)主要的科学目标是根据月球地质演变的背景来描述和绘制月球表面矿物组成图，主要的勘探目标是以高空间分辨率评估和绘制月球矿产资源图，以支持未来的有针对性的任务规划。研究表明大多数为月球尖晶石富铁(FeCr2O4：铬铁矿)或富铁钛(Fe2TiO4：铁钛尖晶石)，镁铝尖晶石少见。尖晶石通常发现于橄长岩中(一种由斜长石和橄榄石的堆积岩组成的高原镁质岩石)。PRISSEL等[2]指出月球上收集的尖晶石样品全部含有>8%的橄榄石±辉石。

TAYLOR等[3]研究了钛铁矿物和钛尖晶石在Fe-Ti-O体系中的稳定关系并将研究数据应用到月球矿物组合中。DALTON等[4]、MULCAHY等[5]通过探针分析研究尖晶石和硅酸盐类共生结晶之间的关系，指出铬铁矿到钛尖晶石的转换与结核、斜长石的发育的熔融结果导致的组份变化有一定的关联，其结晶过程与大部分岩石的冷却过程相关且对于共生次序及生理化学环境变化相当敏感。MICHAEL等[6]在Apollo15和Apollo17的少量样品中发现尖晶石碎屑。此后，MARVIN等[7]在Apollo15的表层样品15295的橄榄尖晶石岩屑中发现8%的堇青石，堇青石与相关的钙长石、橄榄石以及铁镁尖晶石代表了一种由火成尖晶石变质形成的富镁月陆岩石。ARAI等[8]研究了月球的Asuka 881757号样品，通过研究其中辉石和尖晶石的结晶特点发现：月海玄武岩中的尖晶石在部分结晶的过程中组分从Fe2TiO4转变到FeCr2O4，A881757中的尖晶石为含Cr的Ti尖晶石，说明此类尖晶石结晶过程发生在一个相对晚的阶段。尖晶石中TiO2和Cr2O3的含量不同可能反应其在一些列结晶过程中的不同阶段。

2011年M3的项目负责人PIETERS以及他的科学团队以M3含长石高地岩层中Moscoviense盆地(N27°，E146°)的成分数据为基础，发现盆地西侧内圈区域的光谱特征为富Mg-Al尖晶石[2]。与阿波罗样品中的尖晶石不同，此次没有发现指示铬铁矿的光谱特征，而且包含Mg-Al尖晶石的区域缺少其他的镁铁质矿物或含量十分稀少(橄榄石、辉石<5%)，它们可以很容易与先前所鉴定的尖晶石月球样品区别。PIETERS等将新的岩石类型命名为粉红色尖晶石斜长岩(PSA)[9-10]。产生正确组成的方法是熔融一种富橄榄石和富长石岩石的能产生尖晶石的混合物，熔融需要大量的热，并且这种情况发生在地幔而不是地壳，地壳中橄榄石和辉石具有其他岩石残留。

本文以月球澄海为研究区，该区域充填着大量的月海玄武岩,其物质组分信息揭露了大量关于月球热演化及岩浆演化的历史，澄海充填结束之后，月球受撞击作用随之减弱，基本处于稳定状态。本文讨论澄海区域地形、构造等地质背景，深入对比分析月球尖晶石的遥感光谱特征，采用数理统计的研究方法拟合Al尖晶石的波谱曲线，最终制定了M3数据反演Al尖晶石的流程，并据此分析了澄海区域M3数据，提取了该区域Al尖晶石分布情况。

1 月球澄海区域地质特征

1) 地形地貌。澄海是月海之一，位于月球面向地球的一侧，面积约31万km2。海面相当平坦，四周地形较高，整体高程-4 861～3 383 m(图1)。大约形成于38亿～39亿年前，这段时期月球受到小行星剧烈的撞击，形成了月球上主要的撞击盆地[11]。随后迎来月球火山爆发时期，喷发出的玄武岩熔岩淹没了这些盆地，形成了年轻的平坦的月球表面。四周高地高加索山脉、哈德利山、阿格尼丝山、维特鲁威山高程均大于3 000 m(高程数据来源于Chang’E CCD数据)。

图1 研究区内地貌及DEM分布图Fig.1 Geomorphology and DEM distribution in the research area

澄海地区的月岭表现出5个主要方向，其中4条与前月海纪的环形撞击相关，普遍的北向延伸趋势也很明显(图1)。主要月岭走向与澄海盆地内部环形构造一致，整个体系具有不连续性，部分山脊以及许多连续性月岭在走向上表现出一定变化。在澄海西部，山脊比中央盆地较高，形成地貌上的分界线。澄海地区的4条环形山脊体系也十分明显，在贝塞耳山脊东部，形成一个直径约170 km的小型山脊体系(图1中B处)，东南部与澄海内部环形构造走向一致，B山脊体系单独构成，西侧贯穿贝塞耳山脊近南北向弧形山脊。澄海中部的“A山脊体系”(图1中A处)，直径约390 km，内部表现出南北向的弧形构造贯穿澄海盆地中心区域，其北部与东部区域相对平坦，沿其四周分布有多条月溪及地堑。在澄海北东部，两个由不连续的山脊和月岭构成的环形体系十分明显(图1中C处)，北东向的“C体系”，直径约400 km，从月海区域延伸至澄海环形构造当中，内部发育多条月溪，走向北西。在澄海北部，分布一个直径约350 km的明显的由山脊和月岭构成的“D体系”(图1中D处)，然而这些山脊被北东部的“C体系”截断，表明“D体系”形成在“C体系”之前。

2)构造。通过叠加分析澄海表面特征与地形，7个火山单元组成了三个火山活动时期，最古老(Ⅰ)、中间(Ⅱ)、最年轻(Ⅲ)(图2)。通过对澄海区域撞击坑形态学分析获得的火山单元的相对年龄[12]，表明月海构造的分布更倾向于断代分布而非连续。澄海区域月海玄武岩同位素测年，样品取自Ⅰ单元内Apollo17登月点，为1.65～3.84 b.y.，与之相关的暗色地幔土壤组份约3.7 b.y.。对于撞击坑计数统计结果以及关于撞击坑退化年龄研究认为，Ⅲ单元的年龄约3.0～3.4 b.y.，Ⅱ单元位于Ⅰ单元、Ⅲ单元之间，约3.5 b.y.。

图2 澄海地区地质构造略图Fig.2 Geological structure of mare serenitatis area(注：底图为M3第二波段反射率影像，地理坐标系D-Moon2000)

澄海地区的环形构造形成于酒海纪，大大小小数十个，基本分布于澄海四周。断裂构造主要分布于澄海盆地的四周四角区域，基本与盆地高地相切(除东北角，断裂呈垂直于盆地方向产出)(图2)。澄海西部分布大量的风暴洋克里普岩质地体(Procellarum KREEP Terrane，PKT)，月壳主要由玄武岩、角砾岩、富镁结晶岩套和碱性结晶岩套组成，少见斜长岩。澄海南部边缘为TiO2高富集区，含量为6.5%～8.2%；FeO分布比较普遍，月海区域明显高于月陆区域，分布特征与钛元素有很高的相关性。月海区域主要富含镁铁矿物，月陆主要以斜长岩为主。

2 铝尖晶石波谱特征

铝尖晶石主要包含Mg-Al尖晶石、Fe-AL尖晶石等，依据尖晶石族矿物MgAl2O4-Fe2+Al2O4-Fe2+Cr2O4(铁铝质尖晶石铬铁矿)独有的光谱反射特性，可以通过分析获得系统、量化的光谱成分的关系。研究表示，M3的遥感观察结果显示含铝尖晶石作为一种全月分布的组份存在于整个月壳当中[11]，此前的研究中并未发现此类组分。正常尖晶石最显著的光谱特征即Fe2+导致的在2 000 nm和2 800 nm的强吸收带[1-2]。但是，晶场理论推测由于Fe2+在a 5T2-5E处的电子跃迁会在1 000 nm附近产生吸收带，700 nm附近的波谱特征同样与Fe2+有关[11](图3)。

图3 典型尖晶石矿物波谱(去连续统)特征Fig.3 Spectral characteristics of typical spinel minerals

铝尖晶石本身在1 000 nm附近存在吸收带[10-11]，但此处的吸收特征与较高的Fe/Mg或者Cr/Al有关。因此，Mg-Al(低Fe)中含尖晶石的岩石缺乏1 000 nm附近的吸收特征表明该组岩石为富镁、贫铁的铝质尖晶石斜长岩。Fe-AL尖晶石在V-NIR表现出的光谱特征与Mg-Al(低Fe)明显不同，特别是尖晶石表现出双吸收谷特征(即除了2 000 nm附近显著的吸收特征外，700 nm和1 000 nm附近存在极小值)。出现该双吸收特征的铝质尖晶石含有较丰富的Fe元素，表明Fe-AL尖晶石与Mg-Al(低Fe)尖晶石相比明显含有大量Fe元素。

3 尖晶石分布信息提取

3.1 M3数据特征及预处理

M3为月球矿物测绘仪，是一个高均匀性、高信噪比成像光谱仪，由印度探月工程Chandrayaan-1完成。电磁波谱范围为430～3 000 nm，共分85个波段，波谱分辨率10 nm，FWHM(半峰全宽)<15 nm；辐射范围在0至饱和，采样采用12 bits测算，线性响应到1%，绝对精度在10%以内，信噪比>400。依据观测条件不同，M3数据分为OP1和OP2两个光学周期，为高分辨率的目标模式(“T”，空间分辨率70 m/pixel)和全球模式(“G”，空间分辨率均为140 m/pixel))。本文采用OP1B数据(空间分辨率均为140 m/pixel)，数据模式为全球模式数据(“G数据”)开展研究。

M3数据本身没有地理及控制点信息，不能直接使用。本文使用的M3数据为反射率数据，与数据本身对应的控制文件M3MYYYYMMDDTHH-MMSS_VNN_LOC，其对应像素点位置存储了经纬度以及高程数据，3个波段，前两个为经度和纬度(以十进制表示)，最后一个波段存储的为距离月核的距离高程数据；这里采用自编程序提取出M3数据地理控制点信息；设定月球椭球体参数为(长轴、短轴=1737400.0)，根据M3数据特点，推算出合适的像元大小(0.005°×0.005°)，进行地理几何校正，误差不大于2个像元。采用线性校正方式校正反射率数据，最后获得具有地理信息的M3反射率数据。

3.2 尖晶石分布提取流程

将尖晶石矿物及相关矿物的波谱特征重采样至M3波谱分布(图4)，由图4可知，尖晶石矿物在2 000 nm、2 800 nm处存在明显的吸收谷，而在1 000 nm铁尖晶石表现出强的吸收特征，而铝尖晶石侧吸收特征不明显，在700 nm处则表现出一定的反射特征。另外铬铁矿、亚铬酸盐(Chromite)在1 500 nm之后波谱特征与尖晶石波谱特征相似，与铝尖晶石的区别主要体现在1 100～1 420 nm之间的波谱特征，而与铁尖晶石的波谱特征主要表现在铁尖晶石在1 000 nm处的强吸收特征，而Chromite矿物没有这一吸收特征。

图4 典型尖晶石矿物及相关矿物波谱特征Fig.4 Spectral characteristics of typical spinel minerals and related minerals(注：重采样至M3波谱，上部为三种富镁尖晶石、下部为三种铬铁矿、亚铬酸盐)

图5 M3数据提取铝尖晶石流程图Fig.5 The process of extracting Al spinel from M3 data

依据上述分析，设计了针对M3数据的铝尖晶石的提取流程(图5)。首先提取2 000 nm和2 800 nm处的吸收特征，得到类尖晶石矿物的分布；依据前文分析，在得到的尖晶石分布图中剔除1 000 nm处的吸收特征矿物；得到铝尖晶石及铬铁矿、亚铬酸盐(Chromite)的分布。由于Chromite矿物与铝尖晶石矿物在1 100～1 420 nm波段，波谱反射特征完全相反，所以设计了1 420 nm小于1 100 nm附近的反射率的数据为铝尖晶石矿物。

4 结果与讨论

图6为依据上述讨论方法提取的澄海地区的铝尖晶石分布图，铝尖晶石主要分布于澄海中南部以及澄海西部大部分地区，集中分布于月岭周边，以及环形构造边缘。铝尖晶石分布表现为与盆地边墙或者大型火山坑有关，代表了从一定深度上升而来的物质，即深部地壳的原生物质。

熔融一种富橄榄石和富长石岩石的能产生尖晶石的混合物。熔融需要大量的热，并且这种情况发生在地幔而不是地壳，地壳中橄榄石和辉石具有其他岩石残留。撞击熔融形成的粉色尖晶石是由富橄榄石和富斜长石岩石组成。大型撞击可能是充满能量的，所以会产生大量的热和冲击岩浆，并且粉色尖晶石斜长岩在陨石坑中央山峰和盆地环中有残留[2]。

Fe/AL尖晶石可能是与深色地幔沉积物(mantle deposits，DMDs)相关的物质，推测此类尖晶石是通过火山碎屑物的喷发到达月壳表面且与撞击构造无关。

1-地堑；2-垮塌构造；3-月岭；4-月溪；5-铝尖晶石；6-地质界线；7-断层；8-环形构造；9-较古老火山单元活动时期；10-暗色地幔土壤；11-年轻火山单元活动时期；12-古老火山单元活动时期；13-研究区范围图6 澄海地区铝尖晶石分布图Fig.6 The distribution map of Al-spinel in mare serenitatis(注：M3解译结果，地理坐标系D-Moon2000)

5 结 论

铝尖晶石光谱特征表现为2 000 nm附近的强吸收带以及V-NIR短波区域(500～1 000 nm)无明显特征；橄榄石和辉石在1 000 nm附近存在吸收特征，表明此类铝尖晶石中缺乏或者含有极少部分的铁镁质硅酸盐。一般的月球高地的撞击熔融即使已经含有尖晶石，也不会形成粉色尖晶石斜长岩，除非有一些例如会导致高含量尖晶石的晶体堆积过程。此次的解译结论印证了这一结论，同时也提供了利用M3数据提取铝尖晶石的合理途径。

粉色尖晶石斜长岩是由含有大量的Mg/Al尖晶石的组成，通常在月球样品中不是特别富集。它需要足够的结晶量或在岩浆体中累积。高温实验研究了从月球表面到月壳底部的问题：假设岩浆形成的岩石不仅是简单的机械混合，更关键的是产生有着恰好结晶尖晶石的化学组成的岩浆[2,13]。粉色尖晶石斜长岩不仅包含尖晶石和斜长石，这意味着岩浆必须在斜长石前或随着斜长石而结晶出尖晶石。橄榄石最先结晶，但可能会在富尖晶石岩石形成前消亡。然而，在反演计算过程中，不能移除过多的橄榄石，因为这可能造成岩浆中Fe/Mg比值增加，导致尖晶石中有过多的铁，加深其粉红色，从而得到一些错误的结果。本文利用M3数据提取铝尖晶石在澄海地区的分布情况，进一步证实了高温试验的假设，对于研究月壳岩石成因与岩浆演化具有重要意义。