張迅與，徐天奕，李翠

（1. 澳門(mén)科技大學(xué) 太空科學(xué)研究所，澳門(mén) 00853；2. 吉林大學(xué) 地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026）

0 引 言

“嫦娥4號(hào)”計(jì)劃在2018年實(shí)施發(fā)射，這將是世界首顆在月球背面著陸和巡視探測(cè)的航天器?！版隙?號(hào)”的預(yù)選著陸區(qū)是馮·卡門(mén)（Von Kármán）撞擊坑（圖1A：A為月海玄武巖充填的撞擊盆地），該地區(qū)屬于月球背面的南極–艾肯（South Pole-Aitken）盆地[1-2]。南極–艾肯盆地形成于月球的前酒海紀(jì)，直徑范圍約2 100～2 500 km，是月球上最大和最古老的撞擊盆地之一[1-3]。根據(jù)撞擊坑直徑與其最大挖掘深度的關(guān)系計(jì)算[4]，該盆地很可能已經(jīng)撞穿了下月殼并進(jìn)入了上月幔[5]。

之前的遙感觀測(cè)結(jié)果顯示，南極–艾肯盆地內(nèi)部的化學(xué)成分特征非常獨(dú)特。與月球的典型高地相比，南極–艾肯盆地富含鎂鐵質(zhì)礦物（橄欖石/輝石），并且有較高的Fe和Th含量[6-10]。雖然該區(qū)域包含了幾個(gè)由月海玄武巖填充的盆地，但其鐵鎂質(zhì)礦物的特征并非主要來(lái)源于月海玄武巖[6-7]。這些非月海的鐵鎂質(zhì)地層通常被認(rèn)為富含蘇長(zhǎng)巖質(zhì)物質(zhì)（低鈣輝石）[6-7]，并且含有大約10 wt% FeO[9]。此外，基于Clementine，Kaguya和Moon Mineralogy Mapper（M3）等數(shù)據(jù)的觀測(cè)，在南極–艾肯盆地中還發(fā)現(xiàn)有一些小范圍分布的橄欖石，斜長(zhǎng)石，尖晶石和非月海的高鈣輝石[5,7,11-13]。

有關(guān)南極–艾肯盆地的物質(zhì)成分分布，以及盆地的形成和演化一直以來(lái)都是科學(xué)界研究的熱點(diǎn)和爭(zhēng)論的焦點(diǎn)[1-2,5-7,11-13]。此次“嫦娥4號(hào)”計(jì)劃著陸于馮·卡門(mén)撞擊坑，為近距離了解南極–艾肯盆地撞擊過(guò)程，月球撞擊歷史以及月球成分構(gòu)造提供了機(jī)會(huì)。本文旨在通過(guò)綜合利用多種光譜數(shù)據(jù)，解析馮·卡門(mén)撞擊坑及其周邊區(qū)域元素含量（TiO2和FeO）和礦物成分（橄欖石/輝石）的分布，為“嫦娥4號(hào)”探測(cè)計(jì)劃的順利開(kāi)展提供更多的技術(shù)支持。

1 光譜數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 地質(zhì)單元的劃分

南極–艾肯盆地出露有大量的斜長(zhǎng)石（斜長(zhǎng)巖質(zhì)物質(zhì)），低鈣輝石（蘇長(zhǎng)巖質(zhì)物質(zhì)）和橄欖石（橄長(zhǎng)巖或純橄巖質(zhì)物質(zhì)）等礦物[6-7]。為了更精準(zhǔn)的劃分馮·卡門(mén)撞擊坑及其周邊地區(qū)不同的地質(zhì)單元，本文基于M3數(shù)據(jù)制作了“綜合吸收峰深度（Integrated Band Depth，簡(jiǎn)稱(chēng)IBD）”圖像[14-16]，來(lái)區(qū)分各單元的礦物成分差異（見(jiàn)圖1B，B為IBD圖像）。圖1B的IBD圖像是一個(gè)能反映月球含鐵礦物和太空風(fēng)化作用變化的假彩色合成圖像[14,17-19]，其中紅色代表光譜的1 μm吸收特征，綠色代表2 μm吸收特征，而藍(lán)色代表光譜的反射率（1.5 μm）。斜長(zhǎng)巖質(zhì)礦物因?yàn)闆](méi)有較強(qiáng)的吸收特征（1 μm和2 μm吸收峰）而顯示藍(lán)色，富含鎂鐵質(zhì)礦物的區(qū)域則顯示黃/綠色或橙/紅色，這些顏色的差異主要是由于各地區(qū)成分和風(fēng)化強(qiáng)度的不同而導(dǎo)致的[14,17-19]。

圖1 馮·卡門(mén)撞擊坑區(qū)域地質(zhì)概況Fig. 1 Geological background of theVon Kármán crater

1.2 鈦鐵含量估算

Clementine任務(wù)搭載的紫外/可見(jiàn)光（UVVIS） 相機(jī)，擁有0.4～1 μm的波段范圍以及100～300 m/pixel的空間分辨率，其數(shù)據(jù)常被用于反演估算全月球的TiO2和FeO含量[20-23]。該反演數(shù)據(jù)在本研究中被用來(lái)分析馮·卡門(mén)撞擊坑及其周邊地區(qū)TiO2和FeO元素的分布情況（見(jiàn)圖1C、圖1D，C為T(mén)iO2含量；D為FeO含量）。

1.3 礦物類(lèi)型識(shí)別

M3數(shù)據(jù)具有較全的波段覆蓋范圍（0.43～3 μm）和較高的空間分辨率（140～280 m/pixel），是用來(lái)分析月球礦物成分的理想數(shù)據(jù)[14-19]。為了避免太空風(fēng)化作用[24]，各單元的光譜數(shù)據(jù)都是從新形成的小撞擊坑中提取，來(lái)代表該地層的礦物成分[19,25]。根據(jù)Zhang等的研究方法[25]，本文測(cè)量了以下光譜參數(shù)來(lái)分析各單元的礦物變化，主要有1 μm吸收峰的中心位置（Band I Center），2 μm吸收峰的中心位置（Band II Center），以及2 μm和1 μm吸收峰面積的比值（Band Area Ratio，簡(jiǎn)稱(chēng)BAR）。其中，1 μm和2 μm吸收峰的中心位置可用來(lái)判斷輝石Fe2+和Ca2+含量的變化[26]，而B(niǎo)AR則指示了橄欖石與輝石的相對(duì)含量。由于橄欖石缺乏2 μm的吸收峰特征，所以BAR的值越小，橄欖石的含量就越高，反之亦然[27-28]。

2 研究結(jié)果

2.1 地質(zhì)單元類(lèi)型

圖1B的IBD圖像中，紅/黃色的區(qū)域常被解釋為比綠/藍(lán)色的區(qū)域富含更多的鐵鎂質(zhì)礦物[14,17-19]。馮·卡門(mén)等幾個(gè)撞擊坑在IBD圖中顯示為黃色（圖1B中紅線所示），表明它們比周?chē)鷧^(qū)域含有更多的橄欖石或輝石，綜合其較平坦地形以及較低反照率等特點(diǎn)（圖1A），可以認(rèn)為它們屬于月海玄武巖質(zhì)盆地。Lebnitz和馮·卡門(mén)撞擊坑以南，有局部區(qū)域顯示為藍(lán)色（圖1B），代表該地區(qū)缺乏鐵鎂質(zhì)礦物，可能出露有富斜長(zhǎng)石質(zhì)地層。根據(jù)鐵鎂質(zhì)礦物的相對(duì)含量，馮·卡門(mén)撞擊坑及其周邊地區(qū)可以簡(jiǎn)單的劃分成3個(gè)地質(zhì)單元，其一是馮·卡門(mén)，Lebnitz和Davisson等幾個(gè)富鐵鎂質(zhì)礦物的月海盆地，其二是貧鐵鎂質(zhì)礦物的局部地區(qū)，還有就是鐵鎂質(zhì)礦物含量居中的其他非月海單元（Non-mare Units）。

2.2 TiO2和FeO含量分布

圖1C和1D分別展示了馮·卡門(mén)撞擊坑及其周邊地區(qū)TiO2和FeO含量的分布情況。相對(duì)于全月而言，該地區(qū)整體貧TiO2富FeO。馮·卡門(mén)等幾個(gè)月海盆地（圖1B中紅線所示），以及Finsen撞擊坑周?chē)木植繀^(qū)域是TiO2和FeO富集程度較高的地區(qū)。其中馮·卡門(mén)撞擊坑內(nèi)部主要的TiO2含量為1.5～2.5 wt%，主要的FeO含量在12～16 wt%，局部可達(dá)到3 wt%左右的TiO2和17～20 wt%的FeO。Lebnitz盆地是該地區(qū)面積最大且TiO2和FeO含量最高的區(qū)域，平均可達(dá)到2～5 wt%的TiO2和14～20 wt%的FeO。總體而言，這幾個(gè)月海盆地與低鈦玄武巖樣品的TiO2和FeO含量是基本一致的（TiO2一般＜6 wt%，F(xiàn)eO在20 wt%左右）[29-30]。而TiO2和FeO含量相對(duì)較低（TiO2＜1 wt%，F(xiàn)eO＜8 wt%）的地層，則主要分布在馮·卡門(mén)，Lebnitz和Alder盆地的南部地區(qū)，以及一些局部區(qū)域（圖1D中顯示青綠色的區(qū)域）。它們與高地斜長(zhǎng)巖地區(qū)的土壤成分（一般TiO2＜1 wt%，F(xiàn)eO＜8 wt%）[29-30]相類(lèi)似。至于其它非月海單元，TiO2含量大多在1 wt%左右，F(xiàn)eO含量大多在10 wt%左右。

2.3 礦物成分變化

1 μm與2 μm的吸收峰中心位置圖（見(jiàn)圖2）展示了天然與合成的斜方輝石（OPX），單斜輝石（CPX），以及易變輝石（PGT）的光譜特征[15,31-32]。主要比較了富鐵鎂質(zhì)礦物的月海盆地和非月海地層的光譜特征，其中非月海單元的光譜參數(shù)落在了更靠近斜方輝石（相當(dāng)于低鈣輝石）的一端，也就是說(shuō)馮·卡門(mén)等幾個(gè)月海盆地的含鈣量比周?chē)牡貙痈?。在BAR與1 μm吸收峰中心位置圖中（見(jiàn)圖3），馮·卡門(mén)等幾個(gè)月海盆地的光譜參數(shù)落在了代表橄欖石（OL）和輝石混合為主要成分的區(qū)域，而非月海單元的光譜參數(shù)落于代表斜方輝石為主要成分的位置。這說(shuō)明馮·卡門(mén)等幾個(gè)月海盆地比周?chē)鷨卧懈叩拈蠙焓俊?/p>

圖2 吸收峰中心位置圖Fig. 2 Band center plot

圖3 吸收峰面積比值與1 μm吸收峰中心位置圖Fig. 3 The plot of BAR versus Band I center

3 討 論

馮·卡門(mén)等幾個(gè)月海盆地內(nèi)部貧TiO2（約1～5 wt%）富FeO（約12～20 wt%），且富含鎂鐵質(zhì)礦物（橄欖石和輝石），因此可以認(rèn)為其主要的巖石類(lèi)型為低鈦玄武巖。月海盆地以外的地層（非月海單元）也富含一定的鎂鐵質(zhì)礦物（以低鈣輝石為主），并含有約1 wt%的TiO2和10 wt%的FeO，故可解釋為主要是蘇長(zhǎng)巖質(zhì)的特征。由于斜長(zhǎng)石光譜的吸收鋒較弱，即使出現(xiàn)很少量的輝石，也會(huì)掩蓋其吸收特性[33-34]。因此，某些富含斜長(zhǎng)石特征的區(qū)域，例如，馮·卡門(mén)，Lebnitz和Alder盆地以南出露的TiO2和FeO含量較低（TiO2＜1 wt%，F(xiàn)eO ＜8 wt%），且鎂鐵質(zhì)礦物不豐富的局部區(qū)域，則可以被解釋為富含斜長(zhǎng)石的地層。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)解譯多種光譜數(shù)據(jù)，分析了馮·卡門(mén)撞擊坑及其周邊地區(qū)TiO2和FeO含量以及鐵鎂質(zhì)礦物的分布情況，并推斷了各地質(zhì)單元的主要巖石類(lèi)型。馮·卡門(mén)等幾個(gè)月海盆地內(nèi)部整體貧TiO2（約1～5 wt%）富FeO（約12～20 wt%），主要為低鈦玄武巖。非月海單元的地層則以蘇長(zhǎng)巖質(zhì)物質(zhì)（低鈣輝石）為主，并含有約1 wt%的TiO2和10 wt%的FeO。此外，還有一些富斜長(zhǎng)石的地層出露在馮·卡門(mén)，Lebnitz和Alder盆地以南的局部區(qū)域。此次“嫦娥4號(hào)”計(jì)劃著陸于馮·卡門(mén)撞擊坑，為就位探測(cè)南極–艾肯盆地的物質(zhì)成分，以及研究盆地形成和演化提供了難得機(jī)會(huì)。希望本研究能為“嫦娥4號(hào)”未來(lái)的探測(cè)任務(wù)提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1]STUART-ALEXANDER D E. Geologic map of the central far side of the Moon [J]. Alexander，1978：10-17.

[2]SPUDIS P D，REISSE R A，GILLIS J J. Ancient multiring basins on the Moon revealed by clementine laser altimetry [J]. Science，1994，266（5192）：1848.

[3]GARRICK-BETHELL I，ZUBER M T. Elliptical structure of the lunar South Pole-Aitken basin [J]. Icarus，2009，204（2）：399-408.

[4]MELOSH H J. Impact cratering：a geologic process [M]. UK：Oxford University，1989.

[5]MORIARTY D P，PIETERS C M，ISAACSON P J. Compositional heterogeneity of central peaks within the South Pole-Aitken Basin [J].Journal of Geophysical Research-planets，2013，118（11）：2310-2322.

[6]PIETERS C M，TOMPKINS S，HEAD J W，et al. Mineralogy of the mafic anomaly in the South Pole-Aitken basin：implications for excavation of the lunar mantle [J]. Geophysical Research Letters，1997，24（15）：1903-1906.

[7]PIETERS C M，III J W H，GADDIS L，et al. Rock types of South Pole‐Aitken basin and extent of basaltic volcanism [J]. Journal of Geophysical Research Planets，2001，106（E11）：28001-28022.

[8]JOLLIFF B L，GILLIS J J，HASKIN L A，et al. Major lunar crustal terranes：surface expressions and crust-mantle origins [J]. J. Geophys.Res，2000，105（E2）：4197-4216.

[9]LAWRENCE D J，F(xiàn)ELDMAN W C，BLEWETT D T，et al. Iron Abundances on the lunar surface as measured by the lunar prospector gamma-ray spectrometer [C]// Lunar and Planetary Science Conference. USA：Lunar and Planetary Science Conference，2001.

[10]LAWRENCE D J，ELPHIC R C，F(xiàn)ELDMAN W C，et al. Small-area thorium features on the lunar surface [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres，2003，108（108）：369-378.

[11]OHTAKE M，MATSUNAGA T，HARUYAMA J，et al. The global distribution of pure anorthosite on the Moon [J]. Nature Publishing Group，2009，461（7261），236-240.

[12]KRAMER G Y，KRING D A，NAHM A L，et al. Spectral and photogeologic mapping of Schr?dinger Basin and implications for post-South Pole-Aitken impact deep subsurface stratigraphy[J]. Icarus，2013，223（1）：131-148.

[13]YAMAMOTO S，NAKAMURA R，MATSUNAGA T，et al. Olivinerich exposures in the South Pole-Aitken Basin [J]. Icarus，2012，218（1）：331-344.

[14]MUSTARD J F，PIETERS C M，ISAACSON P J，et al. Compositional diversity and geologic insights of the Aristarchus crater from Moon Mineralogy Mapper data [J]. Journal of Geophysical Research Planets，2011，116（E6）：0-12.

[15]KLIMA R L，PIETERS C M，BOARDMAN J W，et al. New insights into lunar petrology：distribution and composition of prominent low‐Ca pyroxene exposures as observed by the Moon Mineralogy Mapper（M3） [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres，2011，116（E6）：0-6.

[16]BESSE S，SUNSHINE J M，STAID M I，et al. Compositional variability of the Marius Hills volcanic complex from the Moon Mineralogy Mapper （M3） [J]. Journal of Geophysical Research Planets，2011，116（E6）：445-455.

[17]STAID M I，PIETERS C M，BESSE S，et al. The mineralogy of late stage lunar volcanism as observed by the Moon Mineralogy Mapper on Chandrayaan‐1 [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres，2011，116（4）：239-241.

[18]吳昀昭. 月球反射光譜學(xué)及應(yīng)用[J]. 地學(xué)前緣，2014，21（6）：74-87.WU Y Z. Reflectance spectroscopy of the Moon and its application [J].Earth Science Frontiers，2014，21（6）：74-87.

[19]WU Y，HEAD J W，PIETERS C M，et al. Regional geology of the Chang'e-3 landing zone II [C]// Lunar and Planetary Science Conference. USA：[s. n.]，2014：2613.

[20]LUCEY P G，BLEWETT D T，HAWKE B R. Mapping the FeO and TiO2，content of the lunar surface with multispectral imagery [J].Journal of Geophysical Research Planets，1998，103（E2）：3679-3699.

[21]LUCEY P G，BLEWETT D T，JOLLIFF B L. Lunar iron and titanium abundance algorithms based on final processing of Clementine ultraviolet/visible images [J]. Journal of Geophysical Research Planets，2000，105（E8）：20297-20305.

[22]NOZETTE S，RUSTAN P，PLEASANCE L P，et al. The clementine mission to the moon：scientific overview[J]. Science，1994，266（5192）：1835-9.

[23]MCEWEN A S，ROBINSON M S. Mapping of the Moon by Clementine [J]. Advances in Space Research，1997，19（10）：1523-1533.

[24]PIETERS C M，TAYLOR L A，NOBLE S K，et al. Space weathering on airless bodies：resolving a mystery with lunar samples [J].Meteoritics & Planetary Science，2000，35（5）：1101-1107.

[25]ZHANG X，WU Y，OUYANG Z，et al. Mineralogical variation of the late stage mare basalts [J]. Journal of Geophysical Research Planets，2016，121（10）.

[26]KLIMA R L，PIETERS C M，DYAR M D. Spectroscopy of synthetic Mg‐Fe pyroxenes I：Spin‐allowed and spin‐forbidden crystal field bands in the visible and near‐infrared [J]. Meteoritics & Planetary Science，2007，42（2）：235-253.

[27]GAFFEY M J，BELL J F，BROWN R H，et al. Mineralogical variations within the S-Type Asteroid class [J]. Icarus，1993，106（2）：573-602.

[28]CLOUTIS E A，GAFFEY M J，JACKOWSKI T L，et al. Calibrations of phase abundance，composition，and particle size distribution for olivine‐orthopyroxene mixtures from reflectance spectra [J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth，2012，91（B11）：11641-11653.

[29]歐陽(yáng)自遠(yuǎn). 月球科學(xué)概論[M]. 北京：中國(guó)宇航出版社，2005.

[30]JOLLIFF B L. 月球新觀 [M]. 國(guó)土資源部探月小組譯. 北京：地質(zhì)出版社，2012.

[31]ADAMS J B. Visible and near‐infrared diffuse reflectance spectra of pyroxenes as applied to remote sensing of solid objects in the solar system [J]. Journal of Geophysical Research，1974，79（32）：4829-4836.

[32]CLOUTIS E A，GAFFEY M J. Pyroxene spectroscopy revisited：Spectral‐compositional correlations and relationship to geothermometry [J]. Journal of Geophysical Research Planets，1991，96（E5）：22809-22826.

[33]PIETERS C M. Strength of mineral absorption features in the transmitted component of near‐infrared reflected light：First results from RELAB [J]. Journal of Geophysical Research Solid Earth，1983，88（B11）：9534-9544.

[34]CROWN D A，PIETERS C M. Spectral properties of plagioclase and pyroxene mixtures and the interpretation of lunar soil spectra [J].Icarus，1987，72（3）：492-506.