月岩和月壤矿物组合的原地原样分析激光拉曼光谱仪的应用.pdf

月岩和月壤矿物组合的原地原样分析：激光拉曼光谱仪的应用 月岩和月壤矿物组合的原地原样分析：激光拉曼光谱仪的应用 徐伟彪1 ，倪培2 ‘中国科学院紫金山天文台．南京市北京西路2 号2 1 0 0 0 8 2 南京大学地球科学系内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室 E - - m il ：w b x u O p 呻．a C ．c n 文摘：月岩和月壤中的主要矿物为长石，辉石和橄榄石．这些矿物的拉曼光谱波峰狭窄且不重 叠，适合于月岩和月壤的矿物组合分析．辉石和橄榄石的波峰漂移程度反映了其中M g ／F e 阳离子 比例的变化，由此可以确定它们的M ∥( 定义为：M 9 2 + ／[ M 9 2 + + F e 2 + 】) ，这是月岩和月壤的重 要岩石学参数，反映了月球内部岩浆熔融分异和演化的历史．拉曼光谱仪可以探测岩石样品中的 长石矿物，结合其所占的比例，进而估算长石的组成含量，这是其他谱仪所不能做到的．该仪器 还可以测试岩石和土壤中水的含量和各种含水矿物，这对寻找月球水资源起到了关键的作用．激 光拉曼光谱仪的特点是对样品处理要求很低、不破坏样品、不影响其他探测技术的测试结果．现 代激光技术的发展，完全可以制造一个小形、轻量、低能耗的激光拉曼光谱仪，安装在月球车上 开展月球表面岩石和土壤的勘探工作． 关键词：月球探测：激光拉曼光谱仪 印度加尔格达大学的物理学家昌德拉塞卡温卡塔拉曼在1 9 2 8 年发现了光的特殊散射效应( 拉曼效应) 而获得1 9 3 0 年的诺贝尔物理学奖。

当一束一定波长的激光照射到某种材料上时，一部分的光发生散射， 其中大部分以原波长散射，- - , b 部分的光与材料中的分子发生了非弹性碰撞而改变了波长波长的改变值 是由材料的化学成分和结构决定的，它反映了化合物分子的振动和旋转能量、组成分子的特定原子和离子 以及它们之间的化学键能、分子结构的对称性、和化合物分子所处的物理化学环境 对于地质样品来说，每一种矿物都有特定的拉曼光谱，它们的波峰很窄且不重叠，这样就有利于土壤 或岩石样品中的矿物鉴定，各种硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氧化物、硫化物、水、含水矿物、和 有机物都能快速有效地确定出来自上世纪六、七十年代以来，激光拉曼光谱仪在地质学界得到了广泛的 应用，特别是对“阿波罗登月计划”所采集的月岩、月壤和玻璃物质的分析工作F a b e l 等I lJ 利用拉曼光谱 仪分析了月岩中橄榄石、辉石和长石的矿物组分，这些矿物的拉曼光谱特征各不相同且波峰互不重叠， 很容易在月岩中被鉴定出来( 图1 ) P e r r y 等【2 】发现辉石和橄榄石中拉曼光谱波峰的漂移与其中的M g ／F e 阳离子比例的有关，并可以定量地测量出它们的M ∥值( 定义为：M 9 2 + ／[ M 9 2 + + F e 2 + 】) ，这是月岩和月壤 的重要岩石学参数，反映了月球内岩浆熔融分异的历史。

通过测试岩石和土壤的拉曼光谱，可以准确地鉴 定其中的主要矿物、次要矿物和微量矿物，确定它们的相对组分比例，确定矿物的化学成分，区分结晶质 和非晶质矿物该仪器还可以测试岩石和土壤中水的含量和各种含水矿物，这对寻找月球水资源起到了关 键的作用激光拉曼光谱仪的特点是对样品处理要求很低( 原地原岩样品或研磨样品均可) 、不破坏样品、 可作定性分析也可作定量分析 岩石的矿物组合分析方法有很多，如：红外光谱、穆斯堡尔谱、和拉曼光谱分析法红外光谱被广泛 应用于遥感探测：“机遇号”( O p p o r t u n i t y ) 和“勇气号”( S p i r i t ) 火星车携带了穆斯堡尔谱仪，用来分析火星 表面含铁矿物的组成：W a n g 等【3 1 1 9 9 5 年提出建造微型拉曼光谱仪用于月球表面探测的设想，该计划得到 了美国宇航局的批准，被列为2 0 0 1 & 2 0 0 3M a r sS u r v e y o r 的主要载荷1 4 】这三种光谱分析方法都可以开展 行星表面原地岩石矿物组合的分析工作，它们各具特点近红外光谱仪探测矿物中F e p 的d 层电子跃迁时 释放出的谱线。

辉石和橄榄石能产生特征的谱线，但是它们的波峰宽且互相重叠，不利于岩石矿物组合分 析( 图2 和3 ) 另外，由于长石中基本不含F e ，产生的波峰很微弱，很难探测穆斯堡尔谱仪可以分析 含铁矿物中铁的价态和F e 2 + 在晶格中的位置( 如：辉石中的M 1 和M 2 ) ．但是大多数含铁矿物的穆斯堡 尔谱线互相重叠，岩石的矿物组合分析需要通过复杂的谱线拟合才能完成对于固熔体矿物来说，难度则 更大比如，橄榄石( I r e ，M g ] 2 S i 0 4 ) ，它在化学成分上形成一个连续的F e —M g 固熔体有些橄榄石贫F e 富M g ( M g l 2 S i 0 4 ) ，有些则富F e 贫M g ( F e 2 S i 0 4 ) ．穆斯堡尔谱仪不能确定岩石中是含有大量的贫F e 橄榄 石还是含有少量的富F e 橄榄石同样，穆斯堡尔谱仪也不能探测月岩和月壤中的长石矿物长石是月球 表面最主要的矿物，月陆地区的高地斜长岩含有7 0 一9 9 ％的钙长石，而月海地区玄武岩的主要矿物也是斜 中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议2 0 0 5 年1 月哈尔滨 长石相比之下，拉曼光谱仪更适合于月球表面的岩石矿物组合分析。

表l 列出了激光拉曼光谱仪的主要 功能和优势以及与其他谱仪的对比【3 1 表l 激光拉曼光谱仪的主要功能以及与其他谱仪的对比1 3 1 近红外光谱仪穆斯堡尔谱仪中红外光谱仪拉曼光谱仪 光谱产生机制铁的d 层电子铁原子核分子结构分子结构 光谱特征F e 2 + 在分子中的位置F c o 和F c 2 + 在分子中分子结构和化学成分分子结构和化学成分 的位置 鉴定单矿物 只能是含铁矿物只能是含铁矿物可以可以 不同矿物的光谱 重叠重叠重叠不重叠 峰值是否重叠 混合物中鉴定矿物 料硅酸盐很难 需要用谱线拟合很难 ． 可以 料氧化物和玻璃很难需要用谱线拟合很难有些可以 定量分析 料硅酸盐需要校对 料氧化物和玻璃需要校对 随着技术的发展，激光拉曼光谱仪的稳定性和坚固性不断提高，而体积却不断减小，新一代的激光拉 曼光谱仪只有手掌大小，商业化的拉曼光谱仪如：H o l o S p e c 仂．8 Ⅲ，K a i s e rO p t i c a lS y s t e m s ，完全能适合于 深空探测的需求月球微束激光拉曼光谱仪( L u n a rM i c r o b e a mR a m a nS p e c t r o m e t e r ，L M R S ) 将由四部分组 成：探头、光谱仪、激光源、和电控系统。

主机光谱仪安置在月球车上，而探头安装在机械臂上，可以自 由伸缩到要探测的样品表面探头的功能是把激光源产生的激光照射到月岩或月壤表面，然后接收样品发 出的拉曼散射光，传输到光谱分析仪激光束的大小为5 0 1 a m ，在月岩或月壤表面作1 厘米长度的线性扫 描扫描器对样品的要求不高不需要进行预处理，适合于原地月岩和月壤的矿物组合分析工作 微束激光拉曼光谱仪的技术设计要求： 1 ) 体积小、重量轻、低能耗： 2 ) 坚固，抗震，能耐温度和压力的骤然变化： “ 3 ) 在恶劣环境( 大温差，低真空，高辐射) 下正常工作； 4 ) 低噪音、高输出、矿物鉴定灵敏； 5 ) 完善的波数校正标准 月壤7 1 5 0 1 的拉曼光谱线 扫熊迁移‘c 吖， 图1 橄榄石、辉石、长石的特征拉曼光谱线，以及 月壤的拉曼光谱线．图中很清楚地显示月壤7 1 5 0 1 中含有辉石、长石和橄榄石矿物．一 微束激光拉曼光谱仪的技术指标1 4 l ： 1 ) 探头体积：5 ．7 x 7 ．O x 7 ．5c m ： 2 )光谱仪主机体积：1 1 ．5 x 1 4 ．O x 5 ．9c m ) 3 ) 探头重量：2 0 0 克； 4 )光谱仪主机重量：2 0 0 0 克； 5 )探测速度：5 0 个拉曼光谱／1 小时； 月球矿物的近红外光谱 4 4 5 图2 月球矿物橄榄石、辉石、长石的近红外光谱线． 这些矿物的特征波峰宽并且互相重叠，不利于岩石的 矿物组成分析． 月岩和月壤矿物组合的原地原样分析：激光拉曼光谱仪的应用 1 5 0 5 1 号月壤样品的中红外光谱 图3 橄榄石、顽火辉石、长石的中红外光谱线，以及1 5 0 5 1 号月壤样品的中红外光谱线．图中显 示橄榄石、辉石、长石的近红外光谱线互相重叠，很难进行矿物组成分析． 6 ) 功耗：< 1 5 瓦； 7 )探测范围：2 0 0 - 1 8 0 0c m ’- ( 常规矿物和含碳矿物) 和2 5 0 0 - 4 0 0 0c m - t ( 有机物、水和含水矿物) ： 8 ) 波数精度：≤2c m d ； 。

9 ) 波峰分辨率：一4 c m 1 ； 微束激光拉曼光谱仪的主要功能有： 1 )鉴定月球表面月岩和月壤中的各种矿物( 硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐、碳酸盐、氧化物、硫化物、 水、含水矿物、和有机物) ： 2 ) 确定各种矿物的相对组成比例，进而确定岩石的类型； 3 ) 可区分结晶质和j F 晶质矿物，有利于月壤中玻璃物质的研究工作； 4 ) 测定橄榄石和辉石的M g ／F e 阳离子比例，定量分析它们的M g # 值； 5 )寻找月球的水资源和含水矿物 微束激光拉曼光谱仪的主要优势： 1 ) 所测试的样品不需要进行预处理，适合于月球表面原地月岩和月壤样品分析工作； 2 )不破坏样品，不影响其他探测技术的测试结果； 3 )可以测定橄榄石中铁的含量，可以确定辉石的结构类型； 4 )可以探测月岩和月壤中长石矿物的含量： 5 ) 可探测月岩和月壤中水的含量和各种含水矿物及有机物． 近红外光谱仪：红外光谱仪已被成功地应用于行星遥感探测的工作中，但作为月球表面岩石和月壤的 原地矿物组合测试载荷，但它有很多不利的因素： 1 ) 月岩中的主要矿物辉石和橄榄石的红外谱线的波峰宽且互相重叠，不利于岩石矿物组合分析； 2 )要确定岩石中辉石和橄榄石的含量，必须预先假设矿物的含铁成分。

因此测得的结果准确性不高； 3 )近红外光谱仪只能鉴定含铁矿物，而月岩和月壤中的主要矿物长石不含铁，’产生的近红外光谱波 峰很弱 激光拉曼光谱仪具有其他谱仪所没有的优势( 如：长石矿物分析) ，非常适合于月球表面月岩和月壤 矿物组合的原地原样分析，是月球软着陆探测工作中理想的重要载荷 参考文献 ‘ 【l 】 F a b e l ，GW ．，W h i t e ，w ．B ．，a n dR o y , R ．，S t r u c t u r eo fl u n a rg l a s s e sb yR a m a na n ds o f tX m ys p e c t r o s c o p y , P r o c ．L u l i a rS c i ．C o n f ．1 9 7 2 ，3 ：9 3 9 - 9 5 1 ． 【2 】P e r r y , C ．H ．，A g r a w a l ，D ．k ，A n a s t a s s a k i s ，E ．，L o w n d c r s , & P ．，a n dT o m b c r g , N ．E ．，F a ri n f r a r e da n dR a m a ns p e c t r o s c o p t ’ci n v es t i g a t i o n so fl u n a rm a t e r i a l sf r o mA p o l l ol l ，1 2 ，1 4 ，1 5 ，P r o c ．L u n a rS c i ．C o n ￡。

1 9 7 2 ，3 ：3 0 7 7 - 3 0 9 5 ． 【3 】W a n g , A ，J o I l 。