月表典型矿物的空间风化模拟与光度学实验研究

论文摘要

光学遥感是目前行星科学探测的主要手段之一,其中遥测可见-近红外反射光谱数据相对比较容易获取,因此被广泛应用到各种探测任务中。而对遥测光谱数据解译的准确性会受到多种因素的影响,其中包括空间风化作用、不同的观测几何条件等等。本学位论文通过采用空间风化模拟实验与实验室控制性光度测量对以上两个因素的影响进行了详细分析。包括微陨石撞击与太阳风粒子注入等过程在内的空间风化作用会改变物质原有的可见-近红外（VNIR）反射光谱特征,使原本的光谱发生暗化和红化,同时减弱其特征吸收峰。这种光谱变化主要是由在空间风化过程中产生的纳米相金属铁颗粒（npFe0）所导致的。由于橄榄石、辉石等硅酸盐矿物在VNIR波段内的光谱吸收特征主要是由其晶体场中Fe2+外层电子跃迁时吸收相应频率的光子而产生的,因此受到npFe0的影响较大。而在中红外波段（MIR）,矿物的光谱特征主要是由晶格的振动产生的,其受空间风化作用的影响可能会与VNIR反射光谱不同。Hapke模型被广泛用于从VNIR反射光谱的中定量反演矿物含量等信息,相函数是该模型中非常重要的一个参数,用于表征颗粒散射光的角度分布特征。理论上相函数与矿物类型和波长均有关,但是在实际光谱定量分析中,各矿物端元及混合物的相函数常被假定为一个与端元和波长无关的常数。钛铁矿是月表一种具有很强吸收的不透明矿物,相比于月表橄榄石、辉石与斜长石这类透明或半透明的硅酸盐矿物,它很可能呈现出非常不同的相函数。因此仅仅用单个相函数值来表征月壤颗粒可能会使光谱定量反演结果产生较大偏差,尤其是钛铁矿的含量。针对上述问题,本文主要从以下几个方面进行了探索:1.利用脉冲激光进行空间风化模拟实验本研究采用脉冲激光对位于真空腔中的橄榄石粉末样品进行了不同程度照射,以模拟不同程度的空间风化,制备出了不同风化程度的模拟样品。并对照射前后的样品进行了详细的VNIR与MIR反射光谱测量,结果显示照射后样品的VNIR光谱产生了红化、暗化、与吸收峰弱化等典型空间风化效果。但是MIR光谱特征受到的影响相对较小,即使经过强烈照射之后,橄榄石样品的主要振动特征依然被保留了下来。利用透射电镜与拉曼光谱技术对这些样品的微观结构变化进行了详细分析,结果显示脉冲激光照射成功模拟出了实际空间风化作用的典型产物:纳米相的铁颗粒与非晶质包层等。2.考虑空间风化作用的光谱数值模拟本研究采用数值模拟的方法对npFe0与非晶质包层在VNIR与MIR波段的光谱影响进行了分析。分别采用了辐射传输方程的近似解析解Hapke模型与严格数值算法（DISORT）来进行了计算。虽然前人已采用Hapke模型对npFe0的光谱影响进行了大量研究,但多是聚焦于VNIR波段,同时大多是假定npFe0均匀分布与宿主颗粒内部,并且对npFe0尺寸影响的探讨较为缺乏。本研究采用有效介质理论与带包层颗粒光散射算法分别对不同含量npFe0以不同分布形式存在时的光谱影响进行了预测;同时对不同成分与不同厚度非晶质包层的光谱影响进行了模型分析。结果表明npFe0对VNIR反射光谱影响显著,但对MIR光谱的影响非常有限;而非晶质包层在达到一定厚度时,才会对MIR光谱产生明显影响。3.月表典型矿物的单散射相函数研究本研究利用布朗大学RELAB光谱实验室的二向反射光谱仪,对以上四种月表典型矿物（橄榄石、辉石、斜长石、钛铁矿）进行了不同角度的反射光谱测量,并基于这些新的光度光谱数据,利用Hapke模型对这些端元的两种不同形式的相函数的参数进行了反演。并利用实验室制备的矿物混合物样品的反射光谱,对利用Hapke模型进行光谱定量分析时不同形式的相函数的影响进行了详细分析。结果表明准确的端元和混合物相函数有利于提高含钛铁矿混合物光谱定量反演准确度。经过上述实验与模型研究,本文主要取得了如下新认识:（1）与VNIR反射光谱相比,MIR光谱特征受到激光照射的影响更小。在真实的风化条件下,天体表面物质的MIR光谱特征可能保存的更为完好,从而可以作为未来遥感探测技术的发展方向之一;（2）利用Hapke模型进行光谱解混时,对各端元与混合物的相函数进行详细研究可以作为提高矿物含量反演准确度的一个努力方向。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究意义
•   1.2 空间风化研究概述
•     1.2.1 月表的空间风化作用
•     1.2.2 小行星空间风化作用
•     1.2.3 空间风化模拟实验研究
•     1.2.4 空间风化研究小结
•   1.3 月表相关矿物的光度学研究
•     1.3.1 基于反射光谱的矿物含量反演
•     1.3.2 观测几何角度对反射光谱的影响
•     1.3.3 多角度反射光谱的定标
•   1.4 研究内容与论文结构
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 论文结构
•     1.4.3 主要创新点
• 第二章 空间风化模拟实验研究
•   2.1 引言
•   2.2 实验材料与方法
•     2.2.1 样品
•     2.2.2 实验装置
•     2.2.3 反射光谱测量
•     2.2.4 结构与成分分析
•   2.3 模拟实验与分析测试结果
•     2.3.1 照射前后的橄榄石样品
•     2.3.2 VNIR反射光谱分析
•     2.3.3 MIR反射光谱分析
•     2.3.4 TEM与 EDS分析
•     2.3.5 XRD粉晶衍射分析
•     2.3.6 拉曼光谱分析
•   2.4 讨论
•     2.4.1 VNIR反射光谱特征
•     2.4.2 MIR反射光谱特征
•   2.5 本章小结
• 第三章 考虑空间风化作用的光谱数值模拟研究
•   3.1 引言
•   3.2 模型介绍
•     3.2.1 Hapke反射光谱模型
•     3.2.2 Hapke等效薄片模型
•     3.2.3 严格数值算法
•     3.2.4 在光谱模型中引入空间风化影响
•   3.3 折射率数据
•   3.4 结果
• 0的影响'>    3.4.1 npFe⁰的影响
•     3.4.2 非晶质包层的影响
•   3.5 讨论
•     3.5.1 VNIR与 MIR反射光谱受风化影响差异
• 0尺寸对模型分析结果的影响'>    3.5.2 npFe⁰尺寸对模型分析结果的影响
•   3.6 本章小结
• 第四章 月表典型矿物的单散射相函数研究
•   4.1 引言
•   4.2 数据与方法
•     4.2.1 光谱数据介绍
•     4.2.2 光谱数据校正
•     4.2.3 光谱模型介绍
•     4.2.4 光谱解混方法
•   4.3 结果
•     4.3.1 光度校正前后光谱对比
•     4.3.2 相曲线分析结果
•     4.3.3 LG相函数参数反演结果
•     4.3.4 HG相函数参数反演结果
•     4.3.5 LG与 HG相函数拟合效果比较
•     4.3.6 光谱解混结果
•   4.4 讨论
•   4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附表:英文缩写对照表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨亚洲

导师: 张昊,Ralph E.Milliken

关键词: 空间风化,反射光谱,多角度反射光谱,钛铁矿,模型,相函数,光谱解混

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 中国地质大学

基金: 国家自然科学基金(编号:U1631124),国家留学基金 (编号:201606410049)

分类号: P184

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000157

总页数: 152

文件大小: 21125K

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