火星表面模拟矿物和卤水的光谱鉴别研究

发布时间：2020-04-05 13:34

【摘要】：光谱技术是从分子层面识别火星表面及次表面物质成分、丰度及分布特征的重要手段。对地外行星探测来说,多载荷协同分析是提高探测目标准确度及验证其自洽性的必备手段。Raman(Raman)光谱技术具有谱峰尖锐、分辨率高、能实现微区探测等特点,NIR(近红外)光谱技术具有探测矿物种类丰富、信号易获取、对H2O/OH探测响应灵敏等特点。火星表面矿物分布提供了火星起源、地质及环境演化线索,火星表面卤水种类及分布提供了火星气候/水文演变信息。融合Raman和NIR光谱技术实现两者协同分析,对火星表面、次表面矿物/岩石类型、卤水及其可溶物类型的研究具有重要科学意义。鉴于2020年ESA EXOMars与NASA SurperCam都将搭载Raman和NIR光谱仪对火星进行巡视探测,将Raman与NIR数据融合进行联合矿物表征分析,并开展火星表面卤水及其它与水相关物质的Raman分析具有重要科学意义。本论文首先介绍了火星及其环境特征、火星表面矿物探测历史、探测载荷及火星矿物分布特征等相关内容。同时介绍了 Raman和Vis-NIR光谱技术的振动光谱学原理及火星相关矿物的振动光谱特征。在此基础上基于Raman和Vis-NIIR光谱技术重点研究了以下两方面内容:1)基于光谱数据融合技术对火星表面矿物进行鉴别分析研究本研究制备了 25种典型的火星表面硅酸盐、碳酸盐及硫酸盐矿物模拟样品,在实验室条件下获得这些样品的Raman、Vis-NIR光谱数据并结合矿物Raman、Vis-NIR光谱特征,对其进行基线校正、Savitzky-Golay平滑、标准矢量归一化(SNV)等光谱预处理工作,然后建立了火星表面硅酸盐、碳酸盐及硫酸盐矿物的Raman、Vis-NIR光谱数据库。在建立矿物聚类分析模型的过程中,首先选取样品在Vis-NIR和Raman数据中信息丰富、信噪比高、光谱信号重叠小的波段(Vis-NIR:430-2430 nm,Raman:130-1100 cm-1),然后针对性的采用了软独立建模分类法(SIMCA)、主成分分析法-K最邻近分类法(PCA-KNN)对单一的Raman或Vis-NIR光谱数据及光谱融合数据(累加融合和串联融合)进行建模聚类分析,实验结果表明:采用SIMCA算法的矿物聚类分析准确率由单一光谱建模的82.7%(Vis-NIR)、82.7%(Raman)提升为融合建模的93.1%(累加融合)和96.5%(串联融合);采用PCA-KNN的准确率由单一光谱建模的72.4%(Vis-NIR)、72.4%(Raman)提升为融合后的79.3%(累加融合)和91.2%(串联融合)。因此,矿物分类结果表明光谱融合能够发挥Vis-NIR、Raman各自的数据优势,所建的火星表面相关矿物分类模型的预测准确度更高。2)基于Raman光谱技术对火星表面卤水进行定量分析研究本研究制备了 72种火星表面高氯酸盐、氯酸盐、硫酸盐、碳酸盐和硝酸盐不同浓度的模拟卤水样品并在实验室条件下获得其Raman光谱,通过基线校正、Savitzky-Golay平滑以及高斯拟合等光谱预处理建立了火星模拟高氯酸盐、氯酸盐、硫酸盐、碳酸盐和硝酸盐卤水溶液的Raman光谱数据库。然后根据卤水溶液的光谱特征采用以2800-3800 cm-1水伸缩振动形成的强宽缓包络特征峰为内标峰的内定量法建立了卤水溶液阴离子基团对称伸缩振动(v1)归一化Raman峰面积R*与浓度的火星卤水定量分析曲线。研究结果表明,溶液阴离子基团v1特征峰归一化Raman峰面积R*与浓度呈良好的线性关系,定量曲线线性相关系数R2均大于99%,这表明就位Raman光谱技术对火星表面卤水种类鉴别及某些可溶性盐类定量分析具有可行性。系统的实验调研表明实验建立的定量分析曲线与Raman测试条件(激光能量、聚焦距离)、阳离子种类等因素无关,这说明本研究建立的卤水定量分析模型十分稳健可以运用到火星就位及遥感探测中。最后研究了本实验系统条件下的各卤水溶液检出限,这对于2020火星探测具有指导性意义。
【图文】：

火星,诺亚,地质年龄,矿物

北半球是比较年轻平坦的平原；南半球是比较古老的高地且到处充满撞击坑。火逡逑星的南北极极冠分布着干冰和水冰，它们随季节变化发生季节性改变［３］。逡逑火星地质历史主要分为以下三个阶段（见图１－２）：逡逑Ｄｒｐ．逡逑＂”－ｈｈｎ逡逑１逦：邋Ｖ邋？逦」■邋Ｌａｒｇｅ邋ｉｍｐａｃｔ邋ｂａｓｉｎｓ逡逑一逦Ｖｏｌｃａｎｉｃｅｒｕｐｔｉｏｎｓ逡逑■ＨＨｌ＾＾ＨＢＨＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩ逡逑｜｜邋Ｈｉｇｈ－Ｍｇ邋ｏｌｉｖｉｎｅ，邋ｃｉｒｃｕｍｂａｓｉｎ邋ｕｎｉｔｓ逡逑ｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ邋Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋ｏｌｉｖｉｎｅ邋ｂａｓａｌｔｓ逡逑＇［［＇逦｜邋｜逦｜邋Ｍａｒｔｉａｎ邋ｖａｌｌｅｙ邋ｎｅｔｗｏｒｋｓ逡逑ｌｌｌｌｌｌｌｌ逦Ｉ邋Ｍａｒｔｉａｎ邋ｏｕｔｆｌｏｗ邋ｃｈａｎｎｅｌｓ逡逑ＨＨＨＨＨＨＨＨＩＩＩＩ邋Ｆｅ／Ｍｇ邋ｓｍｅｃｔｉｔｅｓ，邋ｃｈｌｏｒｉｔｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｃｒｕｓｔ逡逑ＨＨＨＩＩＩＩ邋Ａｌ邋ｐｈｙｌｌ0５ｉｌｉｃａｔｅｓ逡逑ＨＨＢＩＩＩ邋Ｉｎｔｒａｂａｓｉｎ邋ｓｕｌｆａｔｅｓ，邋ｃｈｌｏｒｉｄｅｓ，邋ｃａｒｂｏｎａｔｅｓ逡逑１１１邋Ｓｕｌｆａｔｅ－ｓｉｌｉｃａ邋ｄｉａｇｅｎｅｔｉｃ／ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ邋ａｓｓｏｍｂｌａｇｏｓ邋Ｉ逡逑■逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逡逑４．０逦３．０逦２．０逦１．０逦0逡逑Ｔｉｍｅ邋（Ｇａ）邋（ｅｓｔｉｍａｔｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｃｒａｔｅｒｉｎｇ邋ｒｅｃｏｒｄ）逡逑图１－２火星地质演化阶段及形成矿物逡逑诺亚纪（Ｎｏａｃｈｉａｎ）：火星最古老的地层

分布情况,化铁,全球分布,赤铁矿

山东大学硕士学位论文逡逑火星表面结晶氧化铁分布情况见图Ｉｄ１＇火星风化层大约含有２０ｗｔ％的Ｆｅ３＋，逡逑主要以铁的氧化物或氢氧化物的形式存在［１９，２Ｇ］。ＴＥＳ探测到了火星赤道附近三个逡逑显著分布结晶赤铁矿的地区：Ｓｉｎｕｓ邋Ｍｅｒｉｄｉａｎｉ，Ａｒａｍ邋Ｃｈａｏｓ和Ｖａｌｌｅｓ邋Ｍａｒｉｎｅｒｉｓ的逡逑Ｏｐｈｉｒ／Ｃａｎｄｏｒ邋地区。ＴＨＥＭＩＳ邋数据显示在邋Ａｒａｍ邋Ｃｈａｏｓ［２１，，２２］、Ａｕｒｅｕｍ邋和邋Ｉａｎｉ逡逑Ｃｈａｏｓ［１１］以及Ｖａｌｌｅｓ邋Ｍａｒｉｎｅｒｓ—内部的一些地区存在结晶赤铁矿。这些结晶赤铁逡逑矿的分布通常与硫酸盐相关［２４］，这表明它们具有相同的形成机制。Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ逡逑火星车搭载的Ｍｉｎｉ－ＴＥＳ在Ｍｅｒｉｄｉａｎｉ邋Ｐｌａｎｕｍ地区发现了一个主要覆盖着赤铁矿逡逑颗粒以及玄武岩质沙子的平原，这些赤铁矿光谱是解释水起源的证据。逡逑０逦０．３逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P185.3

【相似文献】