科普:月壤研究新方法——Raman光譜區分不同類型月球玻璃

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歡迎各位朋友們來到 星石空間站，本次星際知識之旅將與您分享月壤研究新方法——Raman光譜區分不同類型月球玻璃！

一、背景知識

月壤中普遍存在的月球玻璃具有成因多樣（火山成因和撞擊成因）、來源複雜（高地、月海等）、化學成分變化大（苦橄質、玄武質、斜長質等）、可見-近紅外光譜相似等特徵，如何區分不同類型的月球玻璃不僅是開展月壤樣品實驗室分析研究需要解決的問題，也是進行遙感數據解譯面臨的難題。

研究提出了一種利用Raman光譜區分不同類型月球玻璃的新方法，為未來CE-5返回月壤快速分類鑑別、月球玻璃研究、未來月球拉曼數據解釋、月球探測載荷設計等提供技術支撐和理論依據。

月球

二、為什麼要關注月壤中的玻璃？

月壤（Lunar soil）是普遍分布於月球表面的細粒風化層，通常含有~20–30 vol%的玻璃物質。形成月球玻璃的過程包括：火山噴發作用和撞擊熔融過程。

月壤——阿姆斯特朗的腳印

月球火山玻璃是月球深部物質發生熔融後噴發到月表快速冷卻形成的物質，可為深入認識月球內部的物質組成、巖漿作用、分異演化等提供研究樣本。

撞擊玻璃則是外來天體撞擊月球表面（撞擊尺度從微隕石撞擊至大型盆地形成的撞擊過程），致使月表一系列物質發生高溫熔融後快速淬火形成的物質，撞擊玻璃通常記錄了月球表面的撞擊時間和通量、撞擊物質遷移、月壤改造過程等信息。

正確區分月球火山玻璃和撞擊玻璃是進一步開展月球玻璃分析研究的基本前提（圖1），也是月球玻璃遙感反演需要面臨的問題（火山玻璃和撞擊玻璃具有相似的可見-近紅外光譜吸收特徵）。

圖1 月球玻璃形成過程與BSE圖像

三、 月球玻璃Raman光譜分析

圍繞月壤角礫巖隕石中發現的一系列月球玻璃，包括：

1）火山噴發成因的火山玻璃碎屑（Pyroclastic glass）；

2）撞擊成因的玄武質月海撞擊玻璃（Mare impact glass）；

3）撞擊成因的斜長質高地撞擊玻璃（Highland impact glass）。

系統開展月球玻璃的Raman光譜分析，獲得了不同類型月球玻璃的Raman光譜特徵：

1）火山玻璃在400–600 cm1拉曼位移範圍內的拉曼峰位通常大於570 cm1；

2）月海撞擊玻璃和高地撞擊玻璃在400–600 cm1和800–1200 cm1拉曼位移範圍的拉曼峰位具有不同的分布趨勢（圖2）。

圖2 月壤角礫巖隕石中玻璃的典型Raman光譜

四、Raman光譜：區分不同類型月球玻璃的新方法

Raman光譜是一種對物質結構靈敏的分析技術，在行星物質實驗室分析和行星就位探測中具有重要應用。由於不同類型月球玻璃具有截然不同的化學成分趨勢（如：火山玻璃為苦橄欖質，MgO/FeO比值高；月海撞擊玻璃為玄武質，富FeO貧Al2O3；高地撞擊玻璃為斜長質，富Al2O3貧FeO），這決定了不同類型月球玻璃具有不同矽氧四面體結構特徵（如：聚合度, NBO/T），這進一步決定了不同類型月球玻璃呈現出不同的拉曼光譜特徵。

基於本研究的拉曼光譜分析結果，首次提出利用月球玻璃在400–600 cm1和800–1200 cm1拉曼位移範圍內的拉曼峰位（Raman Peak Position，RPP400–600和RPP800–1200）特徵區分不同類型月球玻璃的新思路和方法（圖3）。

圖3 不同類型月球玻璃的拉曼光譜特徵

五、Raman光譜與其他方法區分月球玻璃的優缺點

目前已報導可用於區分不同類型月球玻璃的方法主要包括：電子顯微鏡結構觀察、電子探針化學成分分析、鐵磁性分析和Micro-FTIR紅外光譜和Raman光譜（表1），這些方法具有各自優缺點：

1.電子顯微鏡和電子探針分析：能獲得樣品的結構和成分信息，其缺點是：需要對樣品進行切割、制樣、拋光等破壞性處理。

2.鐵磁性分析：設備不常見且對測試樣品量有要求；

3.Micro-FTIR紅外光譜分析：能實現樣品的無損、無汙染、低成本、快速分析，但其空間解析度較低（1525 μm），難以對微米級大小的顆粒進行分析，且玻璃中出現的微晶顆粒能影響光譜信號。該方法的優勢是：可應用於月球玻璃的紅外光譜遙感數據（Diviner）反演。

4.Raman光譜分析：具有無損、無汙染、低成本、快速、高空間解析度等優點，但玻璃中出現的微晶顆粒能影響光譜信號。該方法的優勢是：適合在實驗室內對大量月壤玻璃開展前期的快速分析、分類和鑑別，也為未來行星拉曼就位數據解譯提供依據。

六、進一步開展的工作和計劃

進一步獲取月球玻璃的一系列地球化學數據，認識月球地質演化。

基於月球玻璃的紅外光譜數據，開展月球玻璃的Diviner紅外光譜數據反演研究。

系統開展行星玻璃（和其他物質）的Raman和紅外光譜研究，為行星物質實驗室分析、行星探測數據反演、探測載荷設計等提供技術支撐和理論依據。

上述研究成果近期發表於Journal of Geophysical Research– Planets期刊上。該成果得到了中科院類地行星先導專項（XDB41000000）、國家自然科學基金、中國博士後基金等項目的資助。

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