【摘要】：光譜技術(shù)是從分子層面識(shí)別火星表面及次表面物質(zhì)成分、豐度及分布特征的重要手段。對(duì)地外行星探測(cè)來說,多載荷協(xié)同分析是提高探測(cè)目標(biāo)準(zhǔn)確度及驗(yàn)證其自洽性的必備手段。Raman(Raman)光譜技術(shù)具有譜峰尖銳、分辨率高、能實(shí)現(xiàn)微區(qū)探測(cè)等特點(diǎn),NIR(近紅外)光譜技術(shù)具有探測(cè)礦物種類豐富、信號(hào)易獲取、對(duì)H2O/OH探測(cè)響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)�；鹦潜砻娴V物分布提供了火星起源、地質(zhì)及環(huán)境演化線索,火星表面鹵水種類及分布提供了火星氣候/水文演變信息。融合Raman和NIR光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩者協(xié)同分析,對(duì)火星表面、次表面礦物/巖石類型、鹵水及其可溶物類型的研究具有重要科學(xué)意義。鑒于2020年ESA EXOMars與NASA SurperCam都將搭載Raman和NIR光譜儀對(duì)火星進(jìn)行巡視探測(cè),將Raman與NIR數(shù)據(jù)融合進(jìn)行聯(lián)合礦物表征分析,并開展火星表面鹵水及其它與水相關(guān)物質(zhì)的Raman分析具有重要科學(xué)意義。本論文首先介紹了火星及其環(huán)境特征、火星表面礦物探測(cè)歷史、探測(cè)載荷及火星礦物分布特征等相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)介紹了 Raman和Vis-NIR光譜技術(shù)的振動(dòng)光譜學(xué)原理及火星相關(guān)礦物的振動(dòng)光譜特征。在此基礎(chǔ)上基于Raman和Vis-NIIR光譜技術(shù)重點(diǎn)研究了以下兩方面內(nèi)容:1)基于光譜數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)火星表面礦物進(jìn)行鑒別分析研究本研究制備了 25種典型的火星表面硅酸鹽、碳酸鹽及硫酸鹽礦物模擬樣品,在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得這些樣品的Raman、Vis-NIR光譜數(shù)據(jù)并結(jié)合礦物Raman、Vis-NIR光譜特征,對(duì)其進(jìn)行基線校正、Savitzky-Golay平滑、標(biāo)準(zhǔn)矢量歸一化(SNV)等光譜預(yù)處理工作,然后建立了火星表面硅酸鹽、碳酸鹽及硫酸鹽礦物的Raman、Vis-NIR光譜數(shù)據(jù)庫。在建立礦物聚類分析模型的過程中,首先選取樣品在Vis-NIR和Raman數(shù)據(jù)中信息豐富、信噪比高、光譜信號(hào)重疊小的波段(Vis-NIR:430-2430 nm,Raman:130-1100 cm-1),然后針對(duì)性的采用了軟獨(dú)立建模分類法(SIMCA)、主成分分析法-K最鄰近分類法(PCA-KNN)對(duì)單一的Raman或Vis-NIR光譜數(shù)據(jù)及光譜融合數(shù)據(jù)(累加融合和串聯(lián)融合)進(jìn)行建模聚類分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用SIMCA算法的礦物聚類分析準(zhǔn)確率由單一光譜建模的82.7%(Vis-NIR)、82.7%(Raman)提升為融合建模的93.1%(累加融合)和96.5%(串聯(lián)融合);采用PCA-KNN的準(zhǔn)確率由單一光譜建模的72.4%(Vis-NIR)、72.4%(Raman)提升為融合后的79.3%(累加融合)和91.2%(串聯(lián)融合)。因此,礦物分類結(jié)果表明光譜融合能夠發(fā)揮Vis-NIR、Raman各自的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì),所建的火星表面相關(guān)礦物分類模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度更高。2)基于Raman光譜技術(shù)對(duì)火星表面鹵水進(jìn)行定量分析研究本研究制備了 72種火星表面高氯酸鹽、氯酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽和硝酸鹽不同濃度的模擬鹵水樣品并在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得其Raman光譜,通過基線校正、Savitzky-Golay平滑以及高斯擬合等光譜預(yù)處理建立了火星模擬高氯酸鹽、氯酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽和硝酸鹽鹵水溶液的Raman光譜數(shù)據(jù)庫。然后根據(jù)鹵水溶液的光譜特征采用以2800-3800 cm-1水伸縮振動(dòng)形成的強(qiáng)寬緩包絡(luò)特征峰為內(nèi)標(biāo)峰的內(nèi)定量法建立了鹵水溶液陰離子基團(tuán)對(duì)稱伸縮振動(dòng)(v1)歸一化Raman峰面積R*與濃度的火星鹵水定量分析曲線。研究結(jié)果表明,溶液陰離子基團(tuán)v1特征峰歸一化Raman峰面積R*與濃度呈良好的線性關(guān)系,定量曲線線性相關(guān)系數(shù)R2均大于99%,這表明就位Raman光譜技術(shù)對(duì)火星表面鹵水種類鑒別及某些可溶性鹽類定量分析具有可行性。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)調(diào)研表明實(shí)驗(yàn)建立的定量分析曲線與Raman測(cè)試條件(激光能量、聚焦距離)、陽離子種類等因素?zé)o關(guān),這說明本研究建立的鹵水定量分析模型十分穩(wěn)健可以運(yùn)用到火星就位及遙感探測(cè)中。最后研究了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件下的各鹵水溶液檢出限,這對(duì)于2020火星探測(cè)具有指導(dǎo)性意義。
【圖文】：

北半球是比較年輕平坦的平原；南半球是比較古老的高地且到處充滿撞擊坑�；疱义闲堑哪媳睒O極冠分布著干冰和水冰，它們隨季節(jié)變化發(fā)生季節(jié)性改變［３］。逡逑火星地質(zhì)歷史主要分為以下三個(gè)階段（見圖１－２）：逡逑Ｄｒｐ．逡逑＂”－ｈｈｎ逡逑１邐：邋Ｖ邋？邐」■邋Ｌａｒｇｅ邋ｉｍｐａｃｔ邋ｂａｓｉｎｓ逡逑一邐Ｖｏｌｃａｎｉｃｅｒｕｐｔｉｏｎｓ逡逑■ＨＨｌ＾＾ＨＢＨＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩ逡逑｜｜邋Ｈｉｇｈ－Ｍｇ邋ｏｌｉｖｉｎｅ，邋ｃｉｒｃｕｍｂａｓｉｎ邋ｕｎｉｔｓ逡逑ｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ邋Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋ｏｌｉｖｉｎｅ邋ｂａｓａｌｔｓ逡逑＇［［＇邐｜邋｜邐｜邋Ｍａｒｔｉａｎ邋ｖａｌｌｅｙ邋ｎｅｔｗｏｒｋｓ逡逑ｌｌｌｌｌｌｌｌ邐Ｉ邋Ｍａｒｔｉａｎ邋ｏｕｔｆｌｏｗ邋ｃｈａｎｎｅｌｓ逡逑ＨＨＨＨＨＨＨＨＩＩＩＩ邋Ｆｅ／Ｍｇ邋ｓｍｅｃｔｉｔｅｓ，邋ｃｈｌｏｒｉｔｅｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｃｒｕｓｔ逡逑ＨＨＨＩＩＩＩ邋Ａｌ邋ｐｈｙｌｌ0５ｉｌｉｃａｔｅｓ逡逑ＨＨＢＩＩＩ邋Ｉｎｔｒａｂａｓｉｎ邋ｓｕｌｆａｔｅｓ，邋ｃｈｌｏｒｉｄｅｓ，邋ｃａｒｂｏｎａｔｅｓ逡逑１１１邋Ｓｕｌｆａｔｅ－ｓｉｌｉｃａ邋ｄｉａｇｅｎｅｔｉｃ／ｗｅａｔｈｅｒｉｎｇ邋ａｓｓｏｍｂｌａｇｏｓ邋Ｉ逡逑■邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ邐ｉ逡逑４．０邐３．０邐２．０邐１．０邐0逡逑Ｔｉｍｅ邋（Ｇａ）邋（ｅｓｔｉｍａｔｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｃｒａｔｅｒｉｎｇ邋ｒｅｃｏｒｄ）逡逑圖１－２火星地質(zhì)演化階段及形成礦物逡逑諾亞紀(jì)（Ｎｏａｃｈｉａｎ）：火星最古老的地層

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑火星表面結(jié)晶氧化鐵分布情況見圖Ｉｄ１＇火星風(fēng)化層大約含有２０ｗｔ％的Ｆｅ３＋，逡逑主要以鐵的氧化物或氫氧化物的形式存在［１９，２Ｇ］。ＴＥＳ探測(cè)到了火星赤道附近三個(gè)逡逑顯著分布結(jié)晶赤鐵礦的地區(qū)：Ｓｉｎｕｓ邋Ｍｅｒｉｄｉａｎｉ，Ａｒａｍ邋Ｃｈａｏｓ和Ｖａｌｌｅｓ邋Ｍａｒｉｎｅｒｉｓ的逡逑Ｏｐｈｉｒ／Ｃａｎｄｏｒ邋地區(qū)。ＴＨＥＭＩＳ邋數(shù)據(jù)顯示在邋Ａｒａｍ邋Ｃｈａｏｓ［２１，，２２］、Ａｕｒｅｕｍ邋和邋Ｉａｎｉ逡逑Ｃｈａｏｓ［１１］以及Ｖａｌｌｅｓ邋Ｍａｒｉｎｅｒｓ—內(nèi)部的一些地區(qū)存在結(jié)晶赤鐵礦。這些結(jié)晶赤鐵逡逑礦的分布通常與硫酸鹽相關(guān)［２４］，這表明它們具有相同的形成機(jī)制。Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ逡逑火星車搭載的Ｍｉｎｉ－ＴＥＳ在Ｍｅｒｉｄｉａｎｉ邋Ｐｌａｎｕｍ地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)主要覆蓋著赤鐵礦逡逑顆粒以及玄武巖質(zhì)沙子的平原，這些赤鐵礦光譜是解釋水起源的證據(jù)。逡逑０邐０．３逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P185.3

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本文編號(hào)：2615083