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火星探測中的近紅外光譜礦物表征

點擊次數:221  發布時間:2021-03-02

北京時間2月19日凌晨4時55分,在“天問一號”進入火星軌道一周后,“毅力”號(Perseverance)火星車不經變軌直接突入火星大氣層,并成功著陸。本輪火星探測季也進入了新的階段。

毅力號火星車

毅力號的著陸地點是位于北緯18度的耶澤羅隕擊坑(Jezero crater)。有證據表明曾經有河流流入耶澤羅隕擊坑,形成了一個早已干涸的三角洲。而毅力號在此處著陸,一項重要目標便是識別和收集該地區的沉積巖和土壤樣本,探尋可能存在的火星生命跡象,同時測試人類在火星生存的技術?;鹦潜砻娴V物分布提供了火星起源、地質及環境演化線索,火星表面鹵水種類及分布提供了火星氣候/水文演變信息。此外,毅力號還將通過對表面巖石、土壤物理化學特征的分析,幫助人類理解火星地質以及大氣環境。

Raman(拉曼)與NIR(近紅外)光譜技術是從分子層面識別火星表面及次表面物質成分、豐度及分布特征的重要手段,是多國火星車的必備科學設備。

位于毅力號火星車桅桿單元的SurperCam(超級相機)搭載了Raman和NIR光譜儀對火星進行探測,將Raman與NIR數據融合進行聯合礦物表征分析,并開展火星表面鹵水及其它與水相關物質的分析具有重要科學意義。對地外行星探測來說, 近紅外光譜技術具有幾乎無需樣品制備、信號易獲取、探測礦物種類豐富、對H2O/OH探測響應靈敏等特點。馬爾文帕納科(Malvern Panalytical)旗下ASD TerraSpec Halo礦物近紅外光譜分析儀以其寬廣的光譜范圍(350-2500nm)、超高光能動態范圍、高光譜分辨率及重現性及體積小巧堅固結實等特性被選擇使用于為人類重返月球、探測火星準備的多項重要研究中,以提高人類勘探行星資源的能力。

其中之一是由NASA贊助的研究項目,地理發現操作策略測試(GeoHeuristic Operational Strategies Test-GHOST),選擇了由馬爾文帕納科贊助和提供的涵蓋VIS-NIR-SWIR波段的ASD TerraSpec HALO,以大限度地提高火星車樣品收集的速度、效率和科學回報。該項目使用光譜儀模擬火星科學實驗室(MSL)的ChemCam和2020火星車的SuperCam.

SurperCam(超級相機)于毅力號火星車位置示意圖

分子在紅外光譜內的吸收產生于分子振動或轉動的狀態變化或分子振動或轉動狀態在不同的能級間躍遷。能量躍遷包括基頻躍遷(對應分子振動狀態在相鄰振動能級之間的躍遷)、倍頻躍遷(對應于分子振動狀態在相隔一個或幾個振動能級之間的躍遷)和合頻躍遷(對應于分子兩種振動狀態的能級同時發生躍遷)。由于近紅外光譜譜峰較寬,實際樣品中各種成分的吸收峰重疊嚴重,需要用化學計量學方法對近紅外光譜進行化學成分的定量分析。

蒙脫石/黑色,伊利石/亮藍色,白云母/深藍色的可見-近紅外光譜曲線SuperCam超級相機桅桿單元內部(裝配前)

TerraSpec Halo礦物近紅外光譜分析儀是勘探地質市場上便攜的近紅外(NIR)儀器,它是手持一體式全量程的儀器??蹌右幌掳鈾C,這款革命性的儀器可以即時在儀器上獲得礦物分析結果。這些近乎實時顯示的結果加快了勘探的工作力度,提高了效率,有助于進行分析和決策,終為采礦經營者節省了寶貴的時間和金錢。TerraSpec HALO還被廣泛地應用于例如考古和采礦行業中,包括陶瓷、陶器的成份分析,藝術品的鑒定和修復,礦藏的勘探,開采和加工等等。

TerraSpec HALO礦物分析近紅外光譜儀

TerraSpec HALO光譜庫內置超過150種礦物質的700種以上的光譜,來源于大學、個人采集、研究所、以及美國地質勘探局(USGS)的礦物質目錄,并可由客戶自定義添加光譜庫,以進行礦物質的快速識別,且具有GPS和語音備忘錄功能。

TerraSpec HALO采用礦物質匹配算法,通過將未知物質光譜與內置礦物質譜庫匹配,計算匹配礦物后,將其從未知物質光譜中被扣除。使用扣除后的未知物質光譜,繼續匹配,多可以生成7種相關礦物成份的識別。將獲取光譜導入計算機Halo Manager軟件中可分析多達9種礦物成份。隨機自帶礦物質評級顯示于屏幕右側,描述礦物結晶程度或構成性質,允許地質學家了解地質或地熱的情況,以指引潛在的礦物。

參考文檔:
1. https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/supercam/
2. https://finance.sina.com.cn/tech/2021-02-19/doc-ikftssap6896673.shtml
3. http://www.globenewswire.com/news-release/2019/07/16/1883283/0/en/Renowned-Researchers-Leverage-Malvern-Panalytical-s-ASD-TerraSpec-Halo-Mineral-Identifier-to-Advance-Investigation-of-Life-on-Mars.html
4. https://www.materials-talks.com/blog/2019/07/10/asd-terraspec-halo-used-in-space-based-research/
5. 徐偉杰;火星表面模擬礦物和鹵水的光譜鑒別研究[D];山東大學;2018年

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