火星宜居性環境高光譜遙感探測--助力天問一號

2020-11-04 中科院地質地球所

火星宜居性環境高光譜遙感探測--助力天問一號

尋找地外生命和宜居性環境是火星探測永恆的主題。正如我們所知，一般生命生存的環境需要液態水、適宜的溫度（-20~122℃）、可用的氧化還原能量以及對高水平輻射和氧化的充分屏蔽。超鎂鐵巖熱液蝕變形成的蛇紋巖被認為可能是行星宜居性的一個指示，蛇紋石化是一個涉及一系列礦物溶解、轉化和氧化還原反應的過程，可發生在非常寬的溫度範圍內（室溫~400℃），可以通過生成H2維持陸地地下環境和海洋環境中的微生物生態系統（圖1）。在適當的條件下，蛇紋石暴露在富含溶解性無機碳（CO2(aq)）的水流體中，會形成滑石和碳酸鹽礦物。被碳酸鹽化的蛇紋巖依然可以在地質年代尺度保存地下『化能營養生態系統』的生物特徵。因此，火星蛇紋石和碳酸鹽礦物的探測對尋找火星宜居性環境和生物標誌物具有非常重要的意義。

圖1. 火星諾亞紀時期宜居性模型（Tarnas et al., 2018）。圖中顯示了與蛇紋石化（serp.）相關的H2、CH4，可用來支持火星上的地下生命。

可見光-近紅外高光譜遙感是獲取火星表面物質組成的主要手段，目前主要的火星軌道光譜儀有ESA的OMEGA和NASA的CRISM，其中CRISM數據具有更高的空間和光譜解析度，在OMEGA的探測基礎上發現了更多的礦物種類，並能夠更好地進行地質背景約束。目前進行火星礦物識別的主要手段是首先利用光譜參數識別礦物大類，然後利用光譜比值法和光譜匹配確定礦物具體類型，但是，光譜比值有時會帶來假信號且非常耗時。2017年，因子分析和目標轉換（FATT）方法在CRISM數據中得到應用，並用來在全球範圍內尋找蛇紋石和碳酸鹽，但FATT方法只能判斷一景圖像中（約100-400km2）是否存在某種礦物，無法給出具體分布，使得無法對探測結果進行驗證，也無法進行地質背景約束。

針對以上問題，中科院地質與地球物理所林紅磊博士後、空天信息創新研究院張霞研究員與地質與地球物理所魏勇研究員、萬衛星院士以及美國布朗大學Jesse Tarnas、John Mustard、Jim Kellner、伍茲霍爾海洋研究所F. Klein合作，提出了動態窗口因子分析與目標轉換（DAFA/TT）方法，利用實驗室高光譜數據進行了方法驗證，並以火星蛇紋石和碳酸鹽探測為例進行了應用研究，能夠有效地獲取礦物分布。我國天問一號火星探測器將於2021年2月抵達火星軌道並對火星表面進行探測，屆時搭載的礦物光譜分析儀（0.45-3.4μm）會獲取新的火星高光譜數據，增加人類對火星物質組成的認識，DAFA/TT方法能夠直接應用於天問一號高光譜數據，為火星礦物光譜分析儀科學目標的實現提供支撐。

圖1. DAFA/TT方法示意圖

高光譜遙感圖像像元信號常為多種成分的混合，因子分析能夠在混合系統中識別各獨立的光譜成分，即特徵向量，包含了被測混合物中各獨立成分的光譜信息。可以利用CRISM圖像協方差矩陣的前10個特徵向量作為圖像信號子空間，也可以利用Hysime算法等自動識別主要特徵向量；然後目標轉換方法利用因子分析獲得的特徵向量來線性最小二乘擬合實驗室礦物光譜，如果能夠很好地擬合則表明該礦物可能存在於圖像中。我們利用不同形狀的窗口以單像素增量的方式在圖像上移動（圖1），對於每次移動，如果所有窗口都檢測到目標，則認為圖1中黃色標記的像素是真實的探測，反之，如果任何一個窗口未檢測到目標，則該區域返回空值，最後生成目標礦物的聚類。對生成的每個聚類再次進行FATT擬合，由專家檢查擬合效果，以確定目標轉變是否符合與實驗室礦物光譜相似的關鍵指標，包括診斷性吸收的位置、強度和形狀等，因為目前還沒有一個公認的數學度量來很好地自動衡量光譜的相似性。

在實驗室內利用成像光譜儀對一塊阿曼蛇綠巖進行了觀測，並進行了拉曼光譜探測以作為真值（圖2）。利用DAFA/TT方法能夠很好地繪製出蛇紋石和碳酸鹽礦物的分布，並與拉曼測量結果一致。

圖2 實驗室蛇綠巖可見光-近紅外和拉曼光譜觀測，DAFA/TT能夠準確探測到蛇紋石和碳酸鹽礦物的分布

利用已確切探測到蛇紋石和碳酸鹽礦物的CRISM圖像數據進行DAFA/TT的應用驗證（圖3），結果表明，DAFA/TT不僅能夠有效地探測到前人手動識別到的礦物位置，並且在更大範圍內對蛇紋石和碳酸鹽礦物進行填圖。

圖3. DAFA/TT在CRISM圖像上探測到的蛇紋石和碳酸鹽分布

利用DAFA/TT對Ganges Chasma和Nili Fossae部分區域的45景CRISM數據進行了處理，在NiliFossae地區的FRT00009971圖像發現新的蛇紋石出露點，並進行了有效地光譜驗證，是目前第四個確切探測到蛇紋石的位置。下一步工作通過對全球CRISM數據以及天問一號探測數據的處理，將繪製蛇紋石和碳酸鹽礦物的全球分布圖，為理解火星的蛇紋石化過程提供信息支持。

圖4. 利用DAFA/TT探測到的新的蛇紋石出露點

蛇紋石化的環境可以為生命的存在提供必需的條件，蛇紋石化礦物的探測可以更好地理解火星蛇紋石化過程，進而為尋找火星宜居性環境提供幫助。在中科院地質與地球物理所重點項目資助下，蛇紋石化過程的地球化學實驗正在有序進行中，實驗室的實驗過程及觀測將為火星蛇紋石化礦物的探測以及尋找火星宜居性環境提供重要支持。DAFA/TT的MATLAB代碼已上傳到https://github.com/linhoml?tab=repositories。

本研究受到國家自然科學基金(41671360,41525016, 41902318)和中科院地質與地球物理所重點項目（IGGCAS-201905）的資助。Lin Honglei, Tarnas J. D., Mustard J. F., Zhang Xia,Wei Yong, Wan Weixing, Klein F. & Kellner J. R. (2020). Dynamic aperturefactor analysis/target transformation (DAFA/TT) for Mg-serpentine and Mg-carbonatemapping on Mars with CRISM near-infrared data. Icarus, 114168. 文章連結：https://doi.org/10.1016/j.icarus.2020.114168

校對：李玉鈐

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