基于LIBS的岩石类型鉴别与类火星矿物主量元素定量分析研究

发布时间：2020-11-08 07:30

　　 深空探测是我国航天事业的战略发展方向,火星是继我国成功实现月球登陆探测任务后的又一个重要探测目标。2020年是火星探测重要的时间窗口,届时中国将进行名为“天问一号”的首次火星探测任务,同时实现绕、落、巡三大工程目标。火星巡视器搭载的火星土壤成分分析仪(MarsCoDe)是中国首台用于行星探测的LIBS系统,为实现其数据解译,搭建地面火星模拟LIBS系统进行仪器参数研究、类火星样品实测、数据处理等相关预研工作已迫在眉睫。本文作者参与了山东大学火星模拟LIBS系统(SDU-Mars-LIBS)的搭建、调试、优化、岩石类型识别模型的创建和类火星岩石主量元素定量分析等工作,获得了如下研究成果:1)初步研究了影响地质样品物理基体效应的主要因素并确定了最优系统测试参数;2)分别在地球环境和模拟火星环境(7mbar,CO2)下完成50余种类火星地质标准样品的LIBS光谱测试,对所获得的数据进行了光谱预处理,初步建立了类火星岩石LIBS光谱数据库;3)提出了一种利用PCA的Loading空间距离作为选取对样本分类贡献最大的LIBS特征谱线的筛选方法,依据该方法实现了对ChemCam团队发布的64个飞行前定标地质样品的鉴别分析,鉴定精度92.8%;4)利用支持向量机回归(SVR)和偏最小二乘回归(PLSR)两种算法建立类火星岩石的主量元素定量反演模型,获得了较好的结果。全文共分为六个章节,前言部分对火星进行了整体性介绍,主要包括火星大气、火星岩石及矿物等;第一章主要对人类火星探测情况进行概述,包括现有探测成果、重要元素探测载荷介绍和中国火星任务概览等;第二章介绍了 LIBS工作原理及仪器构成,主要包括ChemCam系统及数据简介,MarsCoDe简介和SDU-Mars-LIBS 系统介绍三部分内容;第三章为 LIBS 数据定性分析章节,该章节介绍了一种以PCA主成分loading空间距离为判定标准的岩石类型鉴别新方法,该方法主要利用载荷空间距离法对元素LIBS特征发射谱线进行筛选识别,进而在不进行岩石主量元素定量分析的情况下,识别出元素种类和丰度非常相似的岩石样品,可以在一定程度上削弱基体效应,对矿物类型识别和元素定量分析模型的建立具有重要作用;第四章为SDU-Mars-LIBS系统地质标样实测和光谱数据定量分析章节,可以为SDU-Mars-LIBS系统实测数据流程化处理和LIBS光谱库建立提供参考;第五章为总结和展望章节,对论文工作进行汇总的同时,指出目前存在的不足并对未来工作和研究方向提出建议。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P185.3;V476.4
【部分图文】：

气温变化幅度５０°ＣＷ。此外，火星大气??悬浮灰尘对火星气温的影响也很大。??咖ＨＩ，??＾?Ｓｔｒａｔｏｓｐｈｅｒｅ?＿?ｇ＊??＾－Ｃａｒｂｏｎ?ｄｉｏｘｉｄｅ－ｉｃｅ?ｃｌｏｕｄｓ??５０?－?丨?一１〇－５??Ｗａｔｅｒ－ｉｃｅ?ｃｌｏｕｄｓ?—?ｉｎ－４??＇?■＇?／?＼??Ｔｒｏｐｏｓｐｈｅｒｅ?Ｘ?＞?．??Ｄｕｓｔ?一?１ＣＴ３??０?１?Ｉ?〇．〇〇６??１００?１５０?２００?２５０??Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?（Ｋ）??图１火星大气温度及气压随高度变化示意图??２??

上气温的日间平均温度??和曰间温差增大，但使得火星表面日间温度变化范围减小，日间对流层消失。火??星气温的水平变化和气压的垂直变化产生了火星大气流动进而推动产生火星大??气循环。??Ｐｏｌａｒ?ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ?＊??、?．??／?）?Ｖ?Ｂａｒｏｃｌｉｎｉｃ?ｗａｖｅｓ，??／?／?ｋ?Ｓｔｏｒｍ?ｓｙｓｔｅｍｓ，?ｆｒｏｎｔｓ??Ｈａｄｌｅｙ卜?ｊ?＾Ｋｅｌｖｉｎ??〇１＿徽：??Ｄｕｓｔ?ｓｔｏｒｍ??ｌ??＼?Ｐｏｌａｒ?ｓｕｂｌｉｍａｔｉｏｎ??图２火星大气循环示意图??与地球类似，火星表面也存在季风和大气环流，除仲夏外的所有季节，中纬??度地区产生纬向偏东风并随着高度增加而增强，至３０ｋｍ左右达到最大值。大部??分热带和亚热带地区为偏西风。在地球上也有类似的纬向风分布，但是相对较弱??且偏东风喷流出现在更低的纬度位置和更低的海拔高度。纬向偏东风地球夏季??中纬度地区盛行，但火星仲夏中纬度地区多为纬向偏西风。这一差异可能是由于??地球海洋性环境和火星沙漠性环境热响应和地球与火星辐射吋间尺度不Ｎ导致??的。纬向平均子午环流由平均极向分量和向上分量组成［５１。地球上这一子午环流??包含一个热带环流和一个较弱的中纬度环流，其中热带环流称为‘哈德莱’环流，??它由赤道附近的上升支流和接近南北纬３０°附近下降环流组成，但这种对称性??只在二分点（春分点和秋分点）附近存在。在地球北半球的冬天，‘哈德莱’环??流主要由…个单环流主导，气流在赤道以南上升，在北半球亚热带下降，南半球??的冬天时该模式亦反之。如图２所示，类似的‘哈德莱’在火星上也存在，但是??环流单元较强而且环流的上升和下降直流在赤

仅在火星轨道遥感数据中被识别出，未在就位探测中发现。冲击效应在火星陨石??中很常见，而撞击角烁岩可能广泛存在于火星的地壳岩石中。??１火星火成岩??火星探测漫游者ＭＥＲ?（Ｍａｒｓ?Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ?Ｒｏｖｅｒ）搭载的ＡＰＸＳ１８１对火星表面??岩石和火星陨石的地球化学分析表明：火星以火成岩为主（主要矿物类型为玄武??岩），火星表面存在岩浆的分步结晶产物［９］。通过伽马射线谱仪（ＧＲＳ）获得的??二氧化硅的全球丰度图｜｜（）］与此结论相一致。Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ岩石成分投图如图３所示，??其主要成分为安山岩，但由于对其测试之前没有进行岩石表面打磨刷扫，所以安??山岩很可能是其外层风化壳的成分而非岩石本身的成分。????乂?Ｔｅｐ／７＂－?＾?ＧＲＳ?ａｓｓｕｍｅｓ?Ｇｕｓｅｖ?ａｖｅｒａｇｅ?Ｎａ／Ｋ??ＩＱ?Ｇｕｓｅｖ?／?Ｐ＾０／１０＾ｅ?／?＼?ＧＲＳ?ａｓｓｕｍｅｓ?ＳＮＣ?ａｖｅｒａｇｅ?Ｎａ／Ｋ??？?Ｒｏｃｋ?ＲＡＴ?／?＼＃?／?＼??？?Ｒｏｃｋ?Ｂｒｕｓｈ?／?＼?／?＼??－．Ｇａｌｅ?Ｐ?Ｙ＊?＼?Ｔｍｃｈｙｔｅ??〇?６?一?＼??＾?＿?％?＼??＋?Ｆｏｍｅ?Ｐａｔｈｆｉｎｄｅｒ?Ｒｏｃｋ?＼??言?４?－?．?广?＼??２?＿?ｙ’ｒＢａｓａｌｔ?Ａｎｄｅｓｉｔｅ?Ｍａｒｔｉａｎ?Ｍｅｔｅｏｒｉｔｅｓ??／？?Ｉｆ?：?．?ａｎｄｅｓｉｔｅ?？?Ｂａｓａｌｔｉｃ?ｓｈｅｒｇｏｔｔｉｔｅ??０?Ｐｉｃｒｏｂａｓａｌｔ＾９?ｍｍ?？?０１－ｐｈｙｒｉｃ?ｓｈｅｒｇｏｔｔｉｔｅ??＾?￣?Ｉ?＼?、籲?？?Ｌｈｅｒｚｏｌｉｔｉｃ?ｓｈｅｒｇｏｔｔｉｔｅ??／
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;寻找火星生命[J];军事文摘;2020年10期

2 洪馥芝;;火星,下一个地球?[J];疯狂英语(中学版);2012年10期

3 ;火星机器人[J];小哥白尼(趣味科学画报);2004年05期

4 熊雅颖;左维;李春来;;2020，从中国到火星[J];知识就是力量;2020年04期

5 黄吉虎;;下一站,火星(上)[J];中学生天地(A版);2010年01期

6 宋宜昌;;“凤凰”降落火星的背后[J];时事报告;2008年08期

7 ;关于火星的视界[J];国外科技动态;2003年06期

8 秦改梅;;火星为何最让人魂牵梦萦[J];科学之友(上半月);2019年09期

9 王文浩;朱琳;;《人类建设火星意见稿》之喜迷版[J];喜剧世界(上半月);2014年03期

10 詹昊熹;高嘉鹏;章谕非;田哲毅;;看! 火星[J];中学生天地(A版);2009年12期

相关博士学位论文 前10条

1 薛龙;工程用模拟火星壤研制与地面力学参数就位估计研究[D];吉林大学;2017年

2 童冬生;火星电流系及其磁场[D];中国科学技术大学;2011年

3 王欣明;火星异常低质量的理论解释[D];吉林大学;2011年

4 章婷婷;火星物质成分探测LIBS定标及反演研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所);2017年

5 李颖;LIBS在金属元素定量分析中的应用及其影响因素研究[D];中国海洋大学;2011年

6 于正湜;火星进入段自主导航方案设计与优化方法研究[D];北京理工大学;2015年

7 孔维刚;月球及火星科学中的三个矿物学问题[D];山东大学;2011年

8 任高峰;火星精确着陆轨迹规划与制导算法研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

9 刘鲁文;基于LIBS技术对ISS改性红色黏土的阳离子迁移过程研究[D];中国地质大学;2015年

10 姚克明;火星无人机控制与自主导航关键技术研究[D];南京航空航天大学;2011年

相关硕士学位论文 前10条

1 郭恺琛;基于LIBS的岩石类型鉴别与类火星矿物主量元素定量分析研究[D];山东大学;2020年

2 蔡黄兵;火星沙尘暴的起动临界风速[D];中国科学技术大学;2011年

3 张艺腾;火星背阳面电子沉降对电离层的影响[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2008年

4 宋旭伟;深空探测火星目标模拟方法研究与实现[D];哈尔滨工业大学;2016年

5 高茹雪;火星圣母信仰：场景、仪式、娱乐中的情感宣泄与心灵抚慰[D];西安音乐学院;2020年

6 许菁;火星进入舱气动热的数值模拟[D];北京交通大学;2016年

7 左源峰;火星科学实验室英汉翻译项目实践报告[D];湖南大学;2014年

8 戴格格;基于LIBS的金属元素检测技术与定量分析方法研究[D];中国计量大学;2018年

9 杨欣东;基于LIBS的有机基座沉积有机爆炸物的识别技术研究[D];电子科技大学;2019年

10 黄健伟;基于LIBS与化学计量学的耐热钢运行状态评估模型研究[D];华南理工大学;2019年

本文编号：2874473