月球虹湾幅(LQ-4)地质图的编制

应用中国首次月球探测工程所获得的嫦娥一号(Change-I)CCD影像数据、干涉成像光谱数据、数字高程模型(DEM)数据和数据分析处理结果等资料,开展了虹湾—雨海地区区域地质综合研究。通过对月球撞击坑及溅射堆积物分析,以及地层单元划分、构造单元划分、岩石类型划分、年代学和月球演化历史的集成分析,依据月坑的形态特征、充填物的多少和保留的程度等,将月球撞击坑划分出7种类型11个亚类,并将月球撞击坑堆积物系统划分为6种类型9个堆积岩组。根据TiO2的含量、分布及影像特征,将月海、月陆玄武岩划分为高钛玄武岩、中钛玄武岩和低钛玄武岩。应用ArcGIS地理信息系统,试点编制了1∶250万月球典型地区——虹湾幅(LQ-4)地质图,并建立了空间数据库,探索制定了月球数字地质图编制技术规范、流程和方法,为中国下一步应用嫦娥二号数据开展"全月球地质图"编制,以及未来其他天体的区域地质综合研究与地质编图工作奠定了基础。

基于嫦娥数据的月球虹湾区域TiO2、MgO含量反演

月球虹湾地区覆盖多种地质类型，构造类型众多，包括较古老的高地、风暴洋（目前发现了最年轻的玄武岩喷发单元）、雨海（重要的月面历史划分节点）和冷海等月海玄武岩地质单元。撞击坑类型众多，从碗型撞击坑到较大型内部发生玄武岩填充的柏拉图撞击坑均有。虹湾也将是中国未来的探月着陆区候选区域。反演该区域TiO2、MgO含量的分布对于月球科学研究和未来月球资源开采与利用具有重要意义。Ti元素对月海玄武岩的演化起到了关键作用，而研究Mg元素的分布可以探索高地区域富镁月岩等。文中利用LSC2；的Apollo样品，采用修正光谱角度与基于光谱反射率多元统计（MNF）的数学模型，依据嫦娥一号高光谱数据反演TiO2、MgO含量，将LQ-4区域划为高钛、中钛、低钛区域以及富镁岩高地区域，将它们与Lucey、Shkuratov等人的光学模型用于aementine影像和伽马射线谱仪数据填图的结果进行对比，二者具较好的一致性。

基于粗糙度的月表虹湾地区地形地貌解译

行星表面粗糙度是表面侵蚀、沉降和隆升等作用在行星表面留下的记录,对其进行的定量分析可以精确地反映其表面地质构造过程。对月球的虹湾地区选取水平方向的12条剖面进行了粗糙度各参数(均方根高程、均方根偏差、均方根坡度、Hurst指数)的计算,结果表明:①在1 km的剖面长度上,虹湾地区均方根高程的平均值在3 m左右;在0.2～3 km研究尺度范围内,虹湾地区的坡度不超过2°,说明该区月表起伏度小;②虹湾地区的Hurst指数集中在0.5～0.78之间,表明月表地形地貌样式单一;③低纬度地区(小于N 44.3°)Hurst指数相对较高(0.6～0.8),高纬度地区(大于N 44.3°)Hurst指数较低(0.5～0.6);④运用粗糙度的概念可作为一种推断相对地质年龄的方法。分析结果与实际相符合,证实了粗糙度的定量分析对行星地貌形态及地质构造过程解译的作用。

基于“嫦娥一号”干涉成像光谱数据的月表虹湾地区FeO及TiO_2含量评估

基于"嫦娥一号"干涉成像光谱数据对月表虹湾地区元素分布进行分析。首先对该数据进行辐射畸变校正、反射率反演和几何校正等预处理;然后基于Apollo月球样品含量的实验室实测数据,建立一套基于"嫦娥一号"干涉成像光谱数据的FeO及TiO2含量反演模型;最后计算获取月表虹湾地区FeO及TiO2含量的分布图,并针对分布结果对虹湾地区的成因提出假设。

基于ArcGIS的月球虹湾地区数字地质图编制研究

虹湾幅月球数字地质图是中国首次编制的关于月球地质演化的地质图，应用的主要数据资料来源于“中国首次月球探测工程”嫦娥一号CCD影像数据、DEM数据，结合Clementine750nm影像数据，主要月坑的高分辨率图片，同时结合前人的研究成果，如主要矿物元素含量分布图、多波段反射率特征分布图等编制完成。所有的数据处理应用的是ArcMap平台，同时结合使用了MapGIS软件和Photoshop软件，数据模型采用Geodatabase地理数据模型。详细介绍了基于AreGIS平台编制月球数字地质图的工作流程，编制方法及依据、编制规则及数据库的建立等，为今后开展月球数字地质图的编制积累了经验。

虹湾东缘雁列式月岭构造带形貌特征与成因模式研究

月岭作为月海中一种广泛分布的线性构造,多表现为褶皱逆冲推覆为主的构造样式,且具雁列式展布。因此,月岭对月表区域乃至全月的构造应力分析有着非常重要的指示作用,但其成因机制不清。虹湾是中国嫦娥绕月探测工程研究的重点区域,区域内最明显的线性构造是虹湾东缘呈雁列式展布的月岭构造带,对这一月岭构造带的研究将有助于了解虹湾地区的区域应力特征和构造演化过程。文中通过对虹湾东缘雁列式月岭构造带的高分辨率影像进行解译并与其他区域对比分析,结合虹湾地区已有地质资料和前人提出的相关构造演化模式及目前最新的研究成果,认为虹湾东缘雁列式月岭构造带受虹湾撞击坑坑缘基底和表面玄武岩性影响,虹湾撞击盆地沉降引起的径向挤压应力和表面熔岩流导致的挤压应力由于方向与大小的差异,共同导致该月岭构造带呈类似走滑剪切中右阶左行的形貌特点。在此基础上讨论了此月岭构造带的演化过程,并根据月岭与撞击坑的交切关系,发现虹湾东缘月岭构造带在哥白尼纪仍在继续活动。

月表虹湾Hurst指数分析

月球遥感是在登月技术还不完善的情况下,利用遥感数据,通过各种分析来研究月球演化、内部结果和表面特征的方法。粗糙度是地表隆升、沉降、侵蚀和火山喷射物覆盖在行星表面留下的记录,因此对行星表面粗糙度的定量分析可以精确反映其地质演化过程。而Hurst指数则是粗糙度的精确反映。文中利用LOLA制作的DEM,以月球正面虹湾为例,选取水平方向的12条剖面和垂直方向的15条剖面对其各粗糙度参数进行计算,并结合月表成熟度对Hurst指数与底层年龄的相关性进行了分析,得出如下结论:(1)在1km的剖面长度上,虹湾地区均方根高程的平均值在3m左右;在0.2～3km研究尺度范围内,虹湾地区的坡度不超过2°,说明该地表起伏度小。(2)虹湾地区的Hurst指数跨度比较大,尤其在垂直方向(南北)上,在0.4到0.9之间,表明其构造样式丰富。(3)在0.2～3km研究尺度范围内,Hurst指数自北往南增大、自西往东增大,表示在虹湾地区粗糙度自西北向东南方向增大。(4)虹湾地区地质年龄为自西北向东南方向变小,与Hurst指数增大方向一致。(5)在月表年轻撞击坑地区月表成熟度与Hurst指数大致呈负相关关系。

基于LRO Diviner数据的月球虹湾地区表面亮温时空分布

Diviner在7年多的运行时间内,共获得了超过3.3×1011个辐射亮度测量值.这些数据除了具有的推扫性、条带性和少量的"坏点线"与"故障"等特征外,在一个月球日内呈现白天正午前后和整个夜晚亮温值变化幅度相对均匀,上下午尤其是日出和日落前后亮温值变化剧烈的规律.利用昼夜分段亮温拟合模型,结合数值模拟、奇异值剔除、分段拟合和纬向校正等方法获得了虹湾地区6个时刻的高分辨率和高覆盖度的亮温分布.结果表明,白天的亮温与太阳辐射通量值计算的温度值相接近,敏感于地形起伏、物质混合和通道光度计特性等因素,最高和最低亮温分别出现在朝向赤道方向的山坡和落差最大的撞击坑中心位置;夜晚的亮温敏感于视场内物质的热物理属性差异,变化幅度由上半夜的相对剧烈逐渐过渡到下半夜的趋于均匀.文章揭示了月表热能量交换规律,解释了复杂和异常月表热红外环境的本质,提供了一个关于无大气星体的风化层如何存储热红外辐射能量以及与空间环境进行能量交换的新视角.

虹湾地区橄榄石的光谱特征及其镁数(Fo#)分析

研究橄榄石的分布和成分,对于估测如月球类的火成岩行星体的地质演化有重要的意义。以嫦娥系列卫星探测区域虹湾地区为例,基于M^3高光谱数据采用波谱特征拟合方法调查橄榄石物质的分布情况。虹湾地区橄榄石主要分布在北部坑壁和侏罗山脉山脚,且周围伴生辉石及少量斜长石。所处地层单元为撞击产生的溅射物和弹射物,地质年龄较老。以月球橄榄石样品镁数为因变量,经改进高斯模型(MGM)拟合得到的月球橄榄石样品光谱吸收中心参数为自变量,利用多元线性回归的统计方法建立月球橄榄石物质的镁数(Fo#)反演模型。在此基础上,通过MGM模型提取虹湾18个橄榄石富集点光谱的吸收中心参数,利用镁数反演模型反演虹湾橄榄石的镁数。反演结果表明,虹湾橄榄石物质的镁数较高,均值为Fo^80.84,而富镁橄榄石指示了深源特性,因此虹湾地区的橄榄石绝大多数来自于月幔。

全约束线性分解的月表虹湾地区矿物含量反演

月表主要矿物含量的定量反演是月球科学领域的重要课题之一,对未来月表矿物信息解译有重要指导意义,因此提出一种对月表高光谱遥感数据线性分解获取矿物含量的方法。首先,利用Hapke辐射传输模型将Relab光谱库中的5种矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿)非线性混合的反射光谱转换为线性混合的单次反照率;然后,按照比例随机生成混合像元;最后基于全约束线性光谱分解方法建立上述5种矿物分解含量与真实含量的统计关系模型。利用Apollo登陆采样点实测数据对该模型进行验证的结果表明,辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿的反演结果与实测结果的相关系数分别为0.83,0.86,0.72和0.77。采用上述方法,利用印度探月卫星Chandrayaan-1搭载的月球矿物制图仪(moon mineralogy mapper,M3)高光谱数据得到月表虹湾地区矿物的含量分布图,表明利用全约束线性分解对高光谱矿物识别和含量反演是一种行之有效的方法。

顾及矿物粒径的月表虹湾地区矿物填图

月表矿物丰度及其分布的研究对月球资源利用有重要的指导意义。Hapke模型是月表研究最常用的一种模型,粒径是该模型计算时必须明确的参数之一。为了研究月表5种主要矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿)的丰度及分布情况,在顾及矿物粒径对其光谱影响的情况下,利用Relab光谱库数据和Hapke辐射传输模型,采用全约束线性分解的方法,建立了5种矿物的反演模型,得到上述5种矿物的模型相关性分别为0.98,0.98,0.83,0.91和0.50,并用Apollo采样点数据对模型精度进行了验证,最后将模型应用到月表虹湾地区的印度探月卫星月球矿物制图仪(moon mineralogy mapper,M^3)高光谱影像上,得到了虹湾地区5种矿物的丰度分布图。结果表明,顾及矿物粒径的全约束线性分解方法可用于月表矿物分布特征研究。

虹湾地区月球卫星遥感地质解析制图

月球卫星遥感的目标就是利用地质概念研究月球表面特性、深部结构和演化历史.以月球正面雨海虹湾地区为例,利用Clementine UV/VIS数据提取TiO2和FeO的含量图.基于SELENE TC图像,完成虹湾地区撞击坑和地层单元的解译,并由此利用撞击坑直径-频率统计方法获取虹湾地区不同地层单元的形成年龄.SELENE的重力场模型(SGM90d)揭示虹湾与雨海的重力特征差异,表现为独立的地质单元.嫦娥一号微波辐射计数据反演的月壤厚度与SELENE的数字地形模型在空间分布上有对应关系.综合这些多源遥感信息,表明虹湾与雨海无论深部结构还是表面沉积作用都表现为独立地质单元;虹湾形成后,经历了多期次沉降活动、沉积作用和撞击作用,表现为目前探测的状态.虹湾地区遥感地质解析结果将为未来潜在登月点选择或采样等提供科学依据.

月球虹湾地区地质特征解译及岩浆活动历史研究

虹湾地区是我国嫦娥三号登月探测器的重要备选着陆区域之一,其平坦的地形、复杂的演化历史和丰富的地质特征显示出良好的工程保障性和较大的科学价值.该地区发育了丰富的地质特征,包括月海皱脊、月溪、撞击坑和月坑链,预示着该区域经历了复杂的地质演化历史.但受探测数据分辨率等方面的限制,前人对该地区岩浆活动的性质研究存在较大的差异,在矿物学、地球化学特征以及典型地貌解译方面也存在诸多不足.本文综合利用月球勘测轨道飞行器(Lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)激光高度计(Lunar Orbiter Laser Altimeter,LOLA)及相机(LROC)数据、克莱门汀(Clementine)紫外-可见光(UVVIS)多光谱数据和月球矿物制图仪(Moon Mineralogy Mapper(M3))高光谱数据,对虹湾地区的地形特征、物质成分及典型地貌特征进行了较为系统的解译和分析.研究结果认为该区域经历了4次岩浆活动,不同期次岩浆活动充填的玄武岩成分差别较大,越往后期钛含量越高.虹湾内部以成熟的富辉石岩石为主,但是越往后期橄榄石含量逐渐增高,而周边高地区域以富长石岩石为主,在虹湾北部坑壁区域,出露了一些富橄榄石岩石,这些橄榄石可能来源于大型撞击作用挖掘的月幔物质.虹湾地区地势比较平坦,地质现象丰富,利于开展着陆就位探测.

撞击坑统计定年法及对月球虹湾地区的定年结果

撞击作用是行星形成和表面重塑的重要地质过程,记录和揭示了行星的演化历史.撞击作用形成的撞击坑可用于研究天体表面地质单元形成的时间.依据内太阳系天体表面的撞击历史,总结了通过对撞击坑的直径和频率分布进行统计,计算天体表面模式年龄的原理和方法.在此基础上,利用美国"月球勘测轨道器(LRO)"广角相机获得的图像,对月球虹湾地区的撞击坑进行了直径-频率分布统计研究,获得其3个主要地质单元的绝对模式年龄分别为3.33Ga、3.21Ga和2.60Ga,有效限定了本区主要地质事件发生的时间.

月表虹湾地区辉石及橄榄石含量反演

月表成分定量分布是月球探测中重要的一个科学问题.为了建立月表虹湾地区辉石与橄榄石的含量反演模型,本文在深入分析理解月表主要矿物的光谱特性的基础上,首先使用LSCC实测矿物数据,根据辉石、橄榄石在300–2600 nm波谱范围的吸收特征分布,通过MGM模型计算19个采样点的光谱数据的5个吸收特征,每个吸收特征有吸收中心(Center)、吸收宽度(FWHM)、吸收强度(Strength)这3个吸收特征参数,利用多元回归分析建立矿物反演模型.由于缺乏月表实测数据,本文引入M3高光谱数据利用Hapke辐射传输模型制作模拟混合矿物光谱对模型性能进行检验.最后,将反演模型应用于嫦娥三号月球车的首选着陆点—虹湾地区,得到其矿物含量分布图.实验表明利用MGM模型拟合分析的方法进行高光谱遥感矿物识别是一种可行的研究方法.

基于光学遥感数据虹湾地区铁钛含量反演研究

月球表面的铁钛含量分布对月球的起源与演化研究以及月球资源的开发利用都具有重要意义.不同遥感数据获得的铁钛含量常不相同,有必要利用多种遥感数据获得月表铁钛含量,并对反演结果进行对比分析.本文利用Chandrayaan-1搭载的Moon Mineralogy Mapper(M3)两个光学周期(OP1B和OP2C)数据以及"嫦娥一号"搭载的干涉成像光谱仪(IIM)两套定标数据(pc1和pc2)反演虹湾地区铁钛含量.结果表明OP1B和OP2C数据反演该地区铁峰值分别为17.80wt%和17.60wt%,高于pc1的15.80wt%及pc2的14.00wt%,铁均值分别为16.91wt%和16.79wt%,高于pc1的14.11wt%及pc2的13.46wt%.OP2C数据获得虹湾地区0wt%-4wt%钛丰度百分含量最高,达74.56%,高于pc1的54.66%及pc2的62.46%,OP1B数据得到的0wt%-4wt%钛丰度百分含量最低,为37.55%.OP1B和OP2C数据反演虹湾地区钛均值分别为5.35wt%和3.16wt%,pc1和pc2数据反演该地区钛均值分别为4.25wt%和3.65wt%.极低钛和低钛玄武岩占虹湾地区玄武岩的比例约为50%和40%,主要分布于雨海纪月海物质(Im1,Im2)地层单元内;高钛玄武岩所占比例约为10%,主要分布于爱拉托逊纪月海物质(EIm)地层单元内.总体来看,遥感数据获得的玄武岩钛含量呈单峰分布,低钛玄武岩占优,与样品钛含量的双峰分布不同.虹湾地区玄武岩铁钛含量,随其年龄越来越年轻,有增加的趋势.pc2数据光度校正效果最好,pc1数据光度校正精度较低,M3不同光学周期反射率差别较大,光度校正有待改进.

“嫦娥一号”微波辐射计观测月球虹湾地区表面物理温度昼夜时间分布

由中国"嫦娥一号"(CE-1)微波辐射计对月球虹湾地区观测时刻相对应的太阳入射角与方位角,由极点球面坐标系与月球观测点局部坐标系的转换关系,得到CE-1对月球虹湾区域(Bay of Rainbow,拉丁文Sinus Iridum)观测的当地时间.采用CE-1微波辐射计观测数据,得到月球虹湾地区当地不同时间的辐射亮度温度(Tb)变化分布.由月表三层模型的热辐射传输理论,结合CE-1微波辐射计19与37GHz通道的Tb数据,反演得到月球昼夜不同时段虹湾地区表面月尘层与月壤层的物理温度变化,分析了影响虹湾地区月表面物理温度的主要因素.

顾及太空风化效应的虹湾地区矿物含量反演

月表矿物含量反演是研究月球地质起源和演化的关键.太空风化作用普遍发生在月球表面,对矿物纯净光谱造成了不可忽视的影响,它弱化光谱吸收特征,降低反射率,影响矿物含量遥感反演精度.基于Relab光谱库和Hapke辐射传输模型,将月表4种矿物(单斜辉石、斜方辉石、斜长石、橄榄石)的二向性反射率转换成同向性的单次散射反照率,然后计算矿物的光学常数;再根据亚微观金属铁SMFe(submicroscopic metallic iron)的质量分数模拟6种不同程度太空风化效应,得到端元矿物的反射率光谱;最后基于上述方法,利用多端元线性分解方法和M3(moon mineralogy mapper,月球矿物绘图仪)高光谱数据反演不同风化程度下的矿物含量,得到月表虹湾地区辉石、斜长石、橄榄石3种矿物的含量分布.实验表明,利用多端元线性分解可以有效模拟太空风化效应对矿物光谱的影响,是研究太空风化效应影响下矿物识别及含量反演的一种行之有效的方法.

月球虹湾-雨海盆地壳幔结构

为了探讨月球大型撞击盆地形成后的壳幔物质迁移,采用新近的月球重力场数据研究壳幔界面的起伏情况,这对撞击盆地的形成演化研究有重要意义.通过对虹湾-雨海盆地地区玄武岩引起的重力异常进行正演模拟,发现该部分重力异常仅约占布格重力异常幅值的8%,布格重力异常主要与壳幔界面起伏有关.对该地区不同解算高度的剩余布格重力异常进行场源边界提取,发现虹湾-雨海西北部的壳幔界面随深度增加向雨海中心倾斜,在此区域下方,壳幔界面会有一个向虹湾方向的额外上隆,可能为月幔物质曾向此方向涌动造成.分析表明这种月幔上涌情况可能在雨海撞击时形成,或者可能是形成虹湾的撞击对雨海盆地壳幔结构产生了二次影响,在虹湾地区的壳幔回弹过程中,拖动雨海下方的物质向虹湾方向运移造成的.

利用视线加速度方法反演月球虹湾地区重力场

采用月球探勘者号(lunar prospector,LP)扩展任务段的视线加速度数据,利用最小二乘平差反演月球虹湾区域重力场。对解算结果进行残差统计和功率谱估计,并将解算得到的视线加速度模型与现有的高精度重力场模型SGM150j、GLGM3、LP150Q进行比较,验证了视线加速度方法精化局部重力场的可行性。结合虹湾地区地形,分析了该区域地形与重力异常之间的相关性。