嫦娥五號(hào)任務(wù)成功從月球正面返回了 1.73 kg 表面與鉆取樣品，其采樣區(qū)域比以往的 Apollo 及 Luna 任務(wù)的采樣區(qū)域都要年輕。目前已經(jīng)報(bào)道的樣品分析結(jié)果表明，著陸區(qū)的物質(zhì)組成是比較復(fù)雜的，因此對(duì)大尺度遙感探測(cè)數(shù)據(jù)的解譯要格外慎重。準(zhǔn)確的物質(zhì)組成信息對(duì)行星地質(zhì)演化歷史的解譯十分關(guān)鍵，而遙測(cè)光譜技術(shù)是目前獲取這些信息最有效的手段之一。可見(jiàn) - 近紅外或中紅外波段的一些獨(dú)特的吸收特征可以用來(lái)識(shí)別行星表面礦物組成。其中可見(jiàn) - 近紅外光譜的吸收特征主要是由礦物中過(guò)渡性金屬離子（如 Fe2+）外層電子躍遷產(chǎn)生，而中紅外光譜中的吸收則主要是由礦物晶體晶格振動(dòng)（如硅酸鹽礦物中 Si-O 的伸縮振動(dòng)等）產(chǎn)生。在中紅外譜段，光譜特征更為豐富，可以對(duì)可見(jiàn) - 近紅外光譜無(wú)法區(qū)分的物質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行有效判別。由于月球等地外樣品比較珍貴，以往的行星光譜學(xué)研究大多是基于地球礦物或模擬物開(kāi)展的，通過(guò)在地面實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展控制性實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分析不同類(lèi)型物質(zhì)的光譜特征變化規(guī)律，然后應(yīng)用到行星遙測(cè)數(shù)據(jù)的反演分析中。地球上的模擬物雖然豐富，但是真實(shí)月壤的很多性質(zhì)依然無(wú)法完美復(fù)制。尤其是發(fā)生于月表的太空風(fēng)化作用，會(huì)對(duì)月表物質(zhì)的光學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響。嫦娥五號(hào)采樣任務(wù)的成功為利用真實(shí)月壤樣品開(kāi)展光譜分析提供了重要機(jī)遇。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊亞洲副研究員、劉洋研究員等從嫦娥五號(hào)返回的表層月壤樣品中挑選出了一些粒徑在 200-500 μm 之間的顆粒，其中包含了典型的月球礦物（橄欖石、輝石、斜長(zhǎng)石）與玻璃球粒等（圖 1），并利用顯微 FTIR 光譜儀測(cè)量了這些顆粒的中紅外反射光譜。在中紅外光譜中，Christiansen 特征（CF）、剩余射線帶（RB）、透明特征（TF）是硅酸鹽礦物中最為顯著的幾個(gè)特征，借助這些特征可以對(duì)礦物的類(lèi)型及具體成分進(jìn)行判別。在反射光譜中，CF 表現(xiàn)為反射率的最小值，硅酸鹽礦物的主 CF 通常出現(xiàn)在 7.5-9.0 μm 波段范圍內(nèi)，主要與晶體中 Si-O 伸縮振動(dòng)有關(guān)。月球主要礦物中，斜長(zhǎng)石的 CF 峰位一般在波長(zhǎng)較短位置（~8 μm） ，而橄欖石的 CF 峰位則出現(xiàn)在波長(zhǎng)較長(zhǎng)位置（~9 μm），輝石的 CF 峰位則在前兩者之間。基于 CF 峰位與 RB 特征，以及顯微鏡下的礦物形貌特征，研究人員對(duì)挑選出的月壤顆粒類(lèi)型進(jìn)行初步的判別（圖 2），然后對(duì)不同礦物與玻璃端元的顯微紅外光譜特征進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。

圖 1. （a）立體顯微鏡下月壤顆粒影像；（b）顯微紅外光譜儀獲取的影像拼接圖；（c）典型月壤礦物與玻璃顆粒影像放大圖。

圖 2. 所測(cè)顆粒樣品的 CF 峰位分布圖

通過(guò)與 Apollo 返樣及月球隕石中不同礦物及玻璃端元的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比后（圖 3a），研究人員發(fā)現(xiàn)與常規(guī) FTIR 測(cè)量相比，利用顯微 FTIR 技術(shù)測(cè)量的紅外反射光譜中沒(méi)有透明特征（TF）。這主要是因?yàn)轱@微 FTIR 通常測(cè)的是單個(gè)顆粒，所測(cè)反射信號(hào)中沒(méi)有顆粒之間的多重散射的貢獻(xiàn)。但是 CF 峰位等特征不會(huì)受到這兩種不同測(cè)量技術(shù)的影響。

對(duì)于用常規(guī) FTIR 方式測(cè)量的粉末樣品光譜，其近紅外波段的反射率通常要比中紅外波段高很多，但是隨著樣品尺寸的增加，兩個(gè)譜段之間的差異逐漸變小（圖 3a）。除了顆粒尺寸外，太空風(fēng)化作用也會(huì)降低近紅外與中紅外譜段的光譜對(duì)比度，因?yàn)轱L(fēng)化作用會(huì)使近紅外譜段的反射率顯著降低，但是對(duì)中紅外譜段的影響很有限，這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)譜段的光譜吸收特征的產(chǎn)生機(jī)制完全不同。月表的太空風(fēng)化作用機(jī)制主要有太陽(yáng)風(fēng)注入與微隕石撞擊等，在我們以往的研究中曾利用脈沖激光照射的方式來(lái)模擬微隕石撞擊過(guò)程，以制備具有不同風(fēng)化程度的模擬樣品。圖 3b 中顯示的嫦娥五號(hào)橄欖石顆粒與經(jīng)過(guò)不同程度脈沖激光照射的地球橄欖石樣品的光譜。可以看到，隨著風(fēng)化程度的增加，橄欖石近紅外波段與中紅外波段的反射率差異逐漸減小。在后續(xù)研究中，若能對(duì)更多具有不同風(fēng)化程度的月壤礦物顆粒樣品進(jìn)行顯微紅外光譜分析，則有可能構(gòu)建一個(gè)近紅外 - 中紅外光譜對(duì)比度與風(fēng)化成熟度的關(guān)系模型，從而應(yīng)用到更多樣品的分析上。

橄欖石是巖漿冷卻過(guò)程中結(jié)晶最早的礦物之一，其晶體中 Mg 與 Fe 的相對(duì)含量（Fo，鎂值）對(duì)于指示原始巖漿的成分具有重要意義。橄欖石 RB 特征中的幾個(gè)反射峰的峰位會(huì)隨著鎂值的變化而發(fā)生系統(tǒng)的偏移。基于嫦娥五號(hào)橄欖石顯微光譜中的 RB 峰位，研究人員反演得到了這些橄欖石的鎂值，結(jié)果與先前報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果相一致（圖 3d），表明該方法雖然是基于常規(guī) FTIR 測(cè)量的紅外光譜建立的，但是在顯微紅外光譜分析中也是可行的。

圖 3. （a）CE-5 橄欖石顆粒顯微紅外光譜與 Apollo 返樣中橄欖石粉末樣品紅外光譜對(duì)比圖；（b）CE-5 橄欖石顆粒與經(jīng)過(guò)不同脈沖激光照射的地球橄欖石樣品的光譜對(duì)比；（c）利用 5.6-μm 與 6.0-μm 波段峰位反演的橄欖石樣品 Fo 值結(jié)果；（d）利用 RB 波段發(fā)峰位反演橄欖石 Fo 值結(jié)果。

除了礦物顆粒外，月壤中通常還含有豐富的玻璃質(zhì)物質(zhì)，這些玻璃物質(zhì)主要有撞擊與火山活動(dòng)兩種成因。本文的分析結(jié)果表明這些玻璃大多屬于月海撞擊成因玻璃，但有少數(shù)可能具備火山成因。

在行星光譜學(xué)研究中一直存在一個(gè)難題，就是實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的光譜與遙測(cè)光譜之間往往存在較大差異，因?yàn)榧词褂辛嗽氯罉悠罚趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)也無(wú)法完全復(fù)制月表原始的堆積狀態(tài)。因此實(shí)驗(yàn)室測(cè)量光譜往往無(wú)法直接應(yīng)用于遙測(cè)數(shù)據(jù)的解譯上，尤其是顯微光譜分析結(jié)果。而通過(guò)反演光學(xué)常數(shù)（或折射率）的方式，就可以將實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與遙測(cè)分析很好的銜接起來(lái)。光學(xué)常數(shù)是光譜模型的重要輸入量，有了不同礦物端元的光學(xué)常數(shù)，再結(jié)合給定的顆粒尺寸、孔隙度及各端元的含量等參數(shù)，就可以生成模型光譜。利用該模型對(duì)實(shí)際遙測(cè)月表光譜進(jìn)行擬合，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)區(qū)域礦物組成的定量反演。目前的光學(xué)常數(shù)庫(kù)中，基于真實(shí)地外樣品的光學(xué)常數(shù)還是比較匱乏的。雖然地球上的礦物種類(lèi)非常豐富，但是與地外樣品相比，即使是同種類(lèi)的礦物，其在具體成分上也存在一定差別。比如地球上的橄欖石大多 Mg 含量比較高，而月球上的橄欖石通常 Mg 含量比較低。因此，盡可能的擴(kuò)充基于真實(shí)地外樣品分析得到的光學(xué)常數(shù)庫(kù)是很有必要的。在本研究中，研究人員基于顯微紅外反射光譜，對(duì)挑選出的一些典型橄欖石、斜長(zhǎng)石、輝石及玻璃端元的光學(xué)常數(shù)進(jìn)行了反演（圖 4），這些結(jié)果將對(duì)現(xiàn)有的或?qū)?lái)的月球及其他小行星的光譜分析有很大幫助。

圖 4. 基于反射光譜反演得到的典型礦物與玻璃端元的光學(xué)常數(shù)

上述研究成果發(fā)表在 Journal of Geophysical Research: Planets 上，論文的第一作者是楊亞洲副研究員，通訊作者是劉洋研究員。該研究得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo) B 專(zhuān)項(xiàng)（XDB41000000）、國(guó)家自然科學(xué)基金（12073024）、民用航空航天技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目（D020201，D020203）、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程（2021QNRC001）和空間中心 " 攀登計(jì)劃 " 等項(xiàng)目的支持。