嫦娥五號任務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 任務的采樣區(qū)域都要年輕。目前已經(jīng)報道的樣品分析結果表明，著陸區(qū)的物質組成是比較復雜的，因此對大尺度遙感探測數(shù)據(jù)的解譯要格外慎重。準確的物質組成信息對行星地質演化歷史的解譯十分關鍵，而遙測光譜技術是目前獲取這些信息最有效的手段之一。可見 - 近紅外或中紅外波段的一些獨特的吸收特征可以用來識別行星表面礦物組成。其中可見 - 近紅外光譜的吸收特征主要是由礦物中過渡性金屬離子（如 Fe2+）外層電子躍遷產生，而中紅外光譜中的吸收則主要是由礦物晶體晶格振動（如硅酸鹽礦物中 Si-O 的伸縮振動等）產生。在中紅外譜段，光譜特征更為豐富，可以對可見 - 近紅外光譜無法區(qū)分的物質類型進行有效判別。由于月球等地外樣品比較珍貴，以往的行星光譜學研究大多是基于地球礦物或模擬物開展的，通過在地面實驗室開展控制性實驗測量，分析不同類型物質的光譜特征變化規(guī)律，然后應用到行星遙測數(shù)據(jù)的反演分析中。地球上的模擬物雖然豐富，但是真實月壤的很多性質依然無法完美復制。尤其是發(fā)生于月表的太空風化作用，會對月表物質的光學特性產生顯著影響。嫦娥五號采樣任務的成功為利用真實月壤樣品開展光譜分析提供了重要機遇。

中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室楊亞洲副研究員、劉洋研究員等從嫦娥五號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、斜長石）與玻璃球粒等（圖 1），并利用顯微 FTIR 光譜儀測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特征，借助這些特征可以對礦物的類型及具體成分進行判別。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，主要與晶體中 Si-O 伸縮振動有關。月球主要礦物中，斜長石的 CF 峰位一般在波長較短位置（~8 μm） ，而橄欖石的 CF 峰位則出現(xiàn)在波長較長位置（~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，研究人員對挑選出的月壤顆粒類型進行初步的判別（圖 2），然后對不同礦物與玻璃端元的顯微紅外光譜特征進行了詳細的對比分析。

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. 所測顆粒樣品的 CF 峰位分布圖

通過與 Apollo 返樣及月球隕石中不同礦物及玻璃端元的紅外光譜進行對比后（圖 3a），研究人員發(fā)現(xiàn)與常規(guī) FTIR 測量相比，利用顯微 FTIR 技術測量的紅外反射光譜中沒有透明特征（TF）。這主要是因為顯微 FTIR 通常測的是單個顆粒，所測反射信號中沒有顆粒之間的多重散射的貢獻。但是 CF 峰位等特征不會受到這兩種不同測量技術的影響。

對于用常規(guī) FTIR 方式測量的粉末樣品光譜，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，兩個譜段之間的差異逐漸變小（圖 3a）。除了顆粒尺寸外，太空風化作用也會降低近紅外與中紅外譜段的光譜對比度，因為風化作用會使近紅外譜段的反射率顯著降低，但是對中紅外譜段的影響很有限，這主要是因為兩個譜段的光譜吸收特征的產生機制完全不同。月表的太空風化作用機制主要有太陽風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模擬微隕石撞擊過程，以制備具有不同風化程度的模擬樣品。圖 3b 中顯示的嫦娥五號橄欖石顆粒與經(jīng)過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，若能對更多具有不同風化程度的月壤礦物顆粒樣品進行顯微紅外光譜分析，則有可能構建一個近紅外 - 中紅外光譜對比度與風化成熟度的關系模型，從而應用到更多樣品的分析上。

橄欖石是巖漿冷卻過程中結晶最早的礦物之一，其晶體中 Mg 與 Fe 的相對含量（Fo，鎂值）對于指示原始巖漿的成分具有重要意義。橄欖石 RB 特征中的幾個反射峰的峰位會隨著鎂值的變化而發(fā)生系統(tǒng)的偏移。基于嫦娥五號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，結果與先前報道的實驗室測量結果相一致（圖 3d），表明該方法雖然是基于常規(guī) FTIR 測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比圖；（b）CE-5 橄欖石顆粒與經(jīng)過不同脈沖激光照射的地球橄欖石樣品的光譜對比；（c）利用 5.6-μm 與 6.0-μm 波段峰位反演的橄欖石樣品 Fo 值結果；（d）利用 RB 波段發(fā)峰位反演橄欖石 Fo 值結果。

除了礦物顆粒外，月壤中通常還含有豐富的玻璃質物質，這些玻璃物質主要有撞擊與火山活動兩種成因。本文的分析結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。

在行星光譜學研究中一直存在一個難題，就是實驗室測量的光譜與遙測光譜之間往往存在較大差異，因為即使有了月壤樣品，在實驗室內也無法完全復制月表原始的堆積狀態(tài)。因此實驗室測量光譜往往無法直接應用于遙測數(shù)據(jù)的解譯上，尤其是顯微光譜分析結果。而通過反演光學常數(shù)（或折射率）的方式，就可以將實驗室測量結果與遙測分析很好的銜接起來。光學常數(shù)是光譜模型的重要輸入量，有了不同礦物端元的光學常數(shù)，再結合給定的顆粒尺寸、孔隙度及各端元的含量等參數(shù)，就可以生成模型光譜。利用該模型對實際遙測月表光譜進行擬合，就可以實現(xiàn)對觀測區(qū)域礦物組成的定量反演。目前的光學常數(shù)庫中，基于真實地外樣品的光學常數(shù)還是比較匱乏的。雖然地球上的礦物種類非常豐富，但是與地外樣品相比，即使是同種類的礦物，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，盡可能的擴充基于真實地外樣品分析得到的光學常數(shù)庫是很有必要的。在本研究中，研究人員基于顯微紅外反射光譜，對挑選出的一些典型橄欖石、斜長石、輝石及玻璃端元的光學常數(shù)進行了反演（圖 4），這些結果將對現(xiàn)有的或將來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 B 專項（XDB41000000）、國家自然科學基金（12073024）、民用航空航天技術預研項目（D020201，D020203）、中國科協(xié)青年人才托舉工程（2021QNRC001）和空間中心 " 攀登計劃 " 等項目的支持。