月壤样品分析新方法：Raman光谱区分不同类型月球玻璃
摘要：
月壤中普遍存在的月球玻璃具有成因多样（火山成因和撞击成因）、来源复杂（高地、月海等）、化学成分变化大（苦橄质、玄武质、斜长质等）、可见-近红外光谱相似等特征，如何区分不同类型的月球玻璃不仅是开展月壤样品实验室分析研究需要解决的问题，也是进行遥感数据解译面临的难题。研究提出了一种利用Raman光谱区分不同类型月球玻璃的新方法，为未来CE-5返回月壤快速分类鉴别、月球玻璃研究、未来月球拉曼数据解释、月球探测载荷设计等提供技术支撑和理论依据。
1. 为什么要关注月壤中的玻璃？
月壤（Lunar soil）是普遍分布于月球表面的细粒风化层，通常含有~20–30 vol%的玻璃物质。形成月球玻璃的过程包括：火山喷发作用和撞击熔融过程。月球火山玻璃是月球深部物质发生熔融后喷发到月表快速冷却形成的物质，可为深入认识月球内部的物质组成、岩浆作用、分异演化等提供研究样本。撞击玻璃则是外来天体撞击月球表面（撞击尺度从微陨石撞击至大型盆地形成的撞击过程），致使月表一系列物质发生高温熔融后快速淬火形成的物质，撞击玻璃通常记录了月球表面的撞击时间和通量、撞击物质迁移、月壤改造过程等信息。正确区分月球火山玻璃和撞击玻璃是进一步开展月球玻璃分析研究的基本前提（图1），也是月球玻璃遥感反演需要面临的问题（火山玻璃和撞击玻璃具有相似的可见-近红外光谱吸收特征）。
图1 月球玻璃形成过程与BSE图像
2. 月球玻璃Raman光谱分析
围绕月壤角砾岩陨石中发现的一系列月球玻璃，包括：1）火山喷发成因的火山玻璃碎屑（Pyroclastic glass）；2）撞击成因的玄武质月海撞击玻璃（Mare impact glass）；3）撞击成因的斜长质高地撞击玻璃（Highland impact glass），系统开展月球玻璃的Raman光谱分析，获得了不同类型月球玻璃的Raman光谱特征：1）火山玻璃在400–600 cm？1拉曼位移范围内的拉曼峰位通常大于570 cm？1；2）月海撞击玻璃和高地撞击玻璃在400–600 cm？1和800–1200 cm？1拉曼位移范围的拉曼峰位具有不同的分布趋势（图2）。
图2 月壤角砾岩陨石中玻璃的典型Raman光谱
3. Raman光谱：区分不同类型月球玻璃的新方法
Raman光谱是一种对物质结构灵敏的分析技术，在行星物质实验室分析和行星就位探测中具有重要应用。由于不同类型月球玻璃具有截然不同的化学成分趋势（如：火山玻璃为苦橄榄质，MgO/FeO比值高；月海撞击玻璃为玄武质，富FeO贫Al2O3；高地撞击玻璃为斜长质，富Al2O3贫FeO），这决定了不同类型月球玻璃具有不同硅氧四面体结构特征（如：聚合度, NBO/T），这进一步决定了不同类型月球玻璃呈现出不同的拉曼光谱特征。基于本研究的拉曼光谱分析结果，首次提出利用月球玻璃在400–600 cm？1和800–1200 cm？1拉曼位移范围内的拉曼峰位（Raman Peak Position，RPP400–600和RPP800–1200）特征区分不同类型月球玻璃的新思路和方法（图3）。
图3 不同类型月球玻璃的拉曼光谱特征
4. Raman光谱与其他方法区分月球玻璃的优缺点
目前已报道可用于区分不同类型月球玻璃的方法主要包括：电子显微镜结构观察、电子探针化学成分分析、铁磁性分析和Micro-FTIR红外光谱和Raman光谱（表1），这些方法具有各自的优缺点。
n 电子显微镜和电子探针分析：能获得样品的结构和成分信息，其缺点是：需要对样品进行切割、制样、抛光等破坏性处理。
n 铁磁性分析：设备不常见且对测试样品量有要求；
n Micro-FTIR红外光谱分析：能实现样品的无损、无污染、低成本、快速分析，但其空间分辨率较低（15？25 μm），难以对微米级大小的颗粒进行分析，且玻璃中出现的微晶颗粒能影响光谱信号。该方法的优势是：可应用于月球玻璃的红外光谱遥感数据（Diviner）反演。
n Raman光谱分析：具有无损、无污染、低成本、快速、高空间分辨率等优点，但玻璃中出现的微晶颗粒能影响光谱信号。该方法的优势是：适合在实验室内对大量月壤玻璃开展前期的快速分析、分类和鉴别，也为未来行星拉曼就位数据解译提供依据。
表1 区分不同类型月球玻璃的方法
| Volcanic origin | Impact origin |
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| Pyroclastic glass | Mare impact glass | Highland impact glass |
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| Textural criteria (Delano, 1986; Papike et al., 1998) | |||||
| ● Exotic inclusion | Absence | Presence or Absence | Presence or Absence |
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| Chemical criteria (Naney et al., 1976; Delano, 1986; Zeigler et al., 2006) | |||||
| ● Homogeneity | Homogeneous | Heterogeneous or Homogeneous | Heterogeneous or Homogeneous |
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| ● Chemical trends | Mare basalt | | Mafic-rich | Feldspathic-rich |
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| ● MgO/Al2O3 ratio | >1.25 | <1.25 | <1.25 |
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| ● CaO/Al2O3 ratio | >0.75 | >0.75 | <0.75 |
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| ● Correlation between MgO and Ni | Positive correlation | No correlation | No correlation |
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| Ferromagnetic criteria (Delano, 1986; Papike et al., 1998) | |||||
| ● Ferromagnetic resonance intensity | Low | | High | High |
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| Micro-FTIR criteria (Zeng et al., 2019) | |||||
| ● Christiansen Feature position | > ~8.3 μm | < ~8.3 μm | < ~8.3 μm |
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| ● Minor peaks at ~13.5？16.5 μm range | Absent | | Absent or weak | Relatively strong |
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| ● Reststrahlen bands at ~8.5？12 μm range | Single | | Single | Single |
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| Raman criteria (Zeng et al., 2020) | | | | |
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| ● Raman peak position in 400–600 cm？1 range (RPP400？600) | RPP400–600 > 570 cm？1 | | RPP400–600 < 570 cm？1 | RPP400–600 < 570 cm？1 |
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| ● Raman peak position in 800–1200 cm？1 range (RPP800？1200) | | | RPP800–1200 > 1510 ？ RPP400？600 | RPP800–1200 < 1510 - RPP400–600 |
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5. 进一步开展的工作和计划
n 进一步获取月球玻璃的一系列地球化学数据，认识月球地质演化。
n 基于月球玻璃的红外光谱数据，开展月球玻璃的Diviner红外光谱数据反演研究。
n 系统开展行星玻璃（和其他物质）的Raman和红外光谱研究，为行星物质实验室分析、行星探测数据反演、探测载荷设计等提供技术支撑和理论依据。
上述研究成果近期发表于Journal of Geophysical Research– Planets期刊上，论文第一作者是中国科学院地球化学研究所曾小家博士，通讯作者是中国科学院地球化学研究所李雄耀研究员和刘建忠研究员。该成果得到了中科院类地行星先导专项（XDB41000000）、国家自然科学基金、中国博士后基金等项目的资助。论文信息为：Zeng, X., Li, X., Liu, J., Mo, B., Yu, W., & Tang, H., (2020) Discerning lunar pyroclastic and impact glasses via Raman spectroscopy. Journal of Geophysical Research–Planets (DOI: 10.1029/2020JE006674; in press)
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