月球岩石是伴随月球岩浆洋时代、大撞击灾变期、玄武岩喷发、后期零散撞击的见证者与产物。真实的采集是了解月球终极手段。迄今为止，世界上成功实现月球样品采集与返回的只有美国的“Apollo计划”和前苏联在发射的Luna计划，Carr et al.(1984)认为月陆区域主要有斜长岩(长石)、苏长岩(长石和辉石)、橄长岩(橄榄石和长石)，此外还有镁含量高的月岩，通常与橄长岩、苏长岩及纯橄榄岩相似的化学成分以及角砾岩(撞击形成)。月海区域主要由玄武岩和钛铁矿、克里普岩组成。对美国阿波罗系列带回的样品的研究结果表明组成月球的矿物主要有辉石、斜长石(主要是钙长石)、橄榄石、钛铁矿四种矿物，此外还有一些火山碎屑玻璃(Meyer，1987; Hartmann，2003)。美国的阿波罗15、16号首次利用γ谱仪和X射线荧光对月球赤道附近小区域内的Fe、Ti含量进行了估算。

Warner(1976)认为月球高地以古老的亚铁斜长岩、纯橄榄岩、橄榄岩、苏长岩、辉长苏长岩等。Pieters(1978)指出如果准确的分析来源于UV-VIS光谱与矿物组分之间的关系，那么样品点所代表的区域地质以及非样品来源的岩石类型可能被推算。根据Heiken et al.(1991)关于岩石分类的研究，月球样品岩石类型可分为：火成岩、晶质撞击熔融岩和撞击玻璃、热变质岩(麻粒质岩性)、多元碎屑基质角岩。Taylor et al.(1974)认为月球分为古老的亚铁斜长岩(Ferroan Anorthosite，FAN，>4.4Ga)和稍年轻的富镁结晶岩套(magnesian suite rock，4.43~4.17Ga)。富镁岩石有诸如纯橄榄岩(dunite)、橄长岩(troctolite)、苏长岩(norite)、辉长苏长岩(gabbronorite)等。

进入21世纪以来，探月工程飞速发展，欧阳自远等(2010)初次探索研究了“嫦娥一号”探月卫星所获取的数据，并取得到了丰硕的科学成果，为进一步研究认识月球打下重要基础，在遥感分析方面，自从Clementine和Lunar Prospector对月球进行全球性遥感勘测之后，利用遥感数据进行月球表面玄武岩的划分成为人们关注的热点(范恩等，2009; 刘剑等，2006)。刘建忠等(2012)、凌宗成等(2013)把月球岩石划分为月海玄武岩、高地斜长岩、KREEP岩和可能的其他岩石以及次类岩石划分方案。王翔等(2012b)利用嫦娥数对据月球虹湾区域TiO₂、MgO元素反演。凌宗成等(2014)基于“嫦娥一号”干涉成像光谱仪数据完成月球岩雨海-冷海地区(LQ-4)岩石类型填图。Pieters et al.(2011，2013)在月球背面完成月表莫斯科海内部发现了斜方辉石、橄榄石和富镁尖晶石(Mg-rich spinel)的分布(被称为OOS岩石)。Liu et al.(2012)把高地岩石分为亚铁斜长岩、富镁岩石、碱性岩石、KREEP岩(丁孝忠等，2014; 刘建军和李春来，1999)。

本文依据以往月球不同岩石类型划分方案为研究基础，不去选择矿物类别与岩石分类关系，采用月球实际样品岩石鉴定类别结果，直接解析Apollo登月点6个区域(图 1)285个岩石样品，91类岩性数据，利用嫦娥二号CCD影像与印度M³高光谱数据，利用岩石光谱全特征分析方式，建立不同岩石类型遥感影像光谱特征(焦中虎，2012)。完成Apollo 16登月点周围领域岩石分布图，建立月球典型岩石影像标准光谱库与研究方法。

图 1

Fig. 1

图 1 Apollo登月点位图(底图为嫦娥二号CCD影像) Apollo 11为静海区域；Apollo 12为风暴洋区域；Apollo 14为弗拉摩洛建造；Apollo 15为哈德利亚平宁山脉；Apollo 16为笛卡尔区域；Apollo 17为陶拉斯·利特罗山脉Fig. 1Apollo lunar landing point figure (base image is Chang’E 2 CCD) Apollo 11-Mare Tranquilitatis; Apollo 12-Oceanus Procellarum; Apollo14-Fra Mauro; Apollo 15-Hadley-Apennines; Apollo 16-Descartes; Apollo 17-Taurus-Littrow

嫦娥二号采用时间延时积分电荷耦合元件(TDI、CCD)，以两条线阵连续推扫的方式对月表进行立体成像(刘建军，2013)，赵葆常(2013)全面分析嫦娥二号CCD数据。本次采用100km的圆轨道上，分辨10m CCD影像(以M³分辨率为参考)，运用IDL技术提作用嫦娥二号数据地理控制点信息，对数据进行筛选、 排查，挑选其中数据质量较高的17轨拼接成Apollo登月点6个区域图影像，经IDL编译程序对嫦娥二号数据进行筛选，经条带、杂点剔除，几何校正；采用基于子空间最大特征值法进行均一校正，使影像结果符合均一辐亮度(王翔等，2012a)。

近年来，M3数据由于具有较高的空间和光谱分辨率，得到了广泛应用并取得了诸多成果。孙灵芝等(2014)通过M³反射数据在东海盆地发现了尖晶石、辉石、结晶斜长石、橄榄石等矿物。乔乐等(2013)利用M³高光谱数据对虹湾地区的物质成分进行了较为系统的解译和分析，认为该区域经历了四次岩浆活动，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。Gilmore et al.(2011)通过M³所获得的高光谱数据描述了Ryder弹坑中OH/H₂O的探测和铁镁质矿物的吸收特点。Gross et al.(2011)通过M³高光谱数据发现了一种富(镁铁)铝尖晶石和缺乏大量的橄榄石、辉石的新的岩石类型。Zhang and Bowles(2013)通过M³所获得的数据研究了月球表面的矿物学特征。Whitten and Head(2015)等通过M³高光谱数据，认为东海盆地的月海充填物中的主要矿物为辉石，矿物成分(Fe²⁺和Ca²⁺)变化主要来源于横向或者侧向的高地物质混合，月海玄武岩的TiO₂含量范围在3%~7%(Elphic et al. 1998)。M³(月球矿物质绘图仪)是0.7~3.0μm工作等级的高产量成像频谱仪，它使用二维汞镉碲(HgCdTe)探测器阵列测量太阳光反射能量。具体参数如表 1。

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 月球M3数据参数 Table 1 Lunar M3 data parameters 采样标准 10nm等级 空间分辨率 70m/像素(从100km高空) 观察范围 40km(从100km高空) 重量 7kg 平均功率 13W 光谱覆盖范围 430~3000nm 光谱分辨率 10~20或40nm

表 1 月球M3数据参数 Table 1 Lunar M3 data parameters

依据M³数据特点及定标点处物质组成及其地理环境特点，选取Applo16-62231样品点为高地区(Petro and Pieters， 2006)相对物质为长石、成熟的土壤和新鲜的大小不一的撞击坑，物质分布相对均一，有利于对月光谱定标。Apollo 15定标点位于月海区域Hadley Rille北部接近亚平宁山脉(Scott，1972)这个点的演化记录了基础地质过程的差异，是最好的多样和完整的数据，样品包括两种不同的的月海玄武岩类型，还有一组高地岩石包括斜长石，镁质火山岩，撞击熔化物、粒变岩和角闪石，为月球遥感数据定标提供了数据基础。采用MAP(后验概率)融合嫦娥二号与M³数据，遥感高光谱数据与高分辨率数据离散MAP(后验概率)匹配，得到满足空间与光谱分辨率双重优势，两种数据都具有时效性、及时性，针对性、有效性，数据之间具有互补优势，通过MAP后验概率加强方法使得嫦娥二号数据弥补M³数据低空间分辨率缺点，计算实验矩阵、结算点位残差，配合使用对于岩石提取准确性、分布性、全局性有着良好效果(薛彬等，2004; 于艳梅等，2009)。两种数据都经过与几何校正、大气校正、辐射校正、光度校正，连续统去除(周贤锋，2014)(图 2)。

图 2

Fig. 2

图 2 Apollo 15采样点位置(左)和Apollo 16采样点位置(右) 背景影像M3 1/2/3波段RGB 组合Fig. 2 Apollo 15 sample locations (left) and Apollo 16 sample locations (right) Base map is a RGB combination of band 1/2/3

Apollo 11、12号对月球样品采集是依据登月舱(LM)下，Apollo 14利用阿波罗简单仪进行测量，并收集更多的样本。从Apollo 15号的宇航员进行了科学的操作使用月球车(LRV)舱外活动，采样站分为11站并记录着陆地点的地质背景。阿波罗16号的宇航员进行了科学的操作使用月球车(LRV)穿越共27km在3个独立的舱外活动采样分为10站。阿波罗17号的宇航员进行了科学的操作使用月球车(LRV)穿越共35km在3个独立的舱外活动采样分为11站。宇航员聚集的岩石和土壤的样本，不离轻轨站点采样，采集路线见图 3。本次整理涵盖Apollo 计划登月获取的36个基站岩性87种、285件岩石样品(Apollo 16 Preliminary Examination Team. 1973)，见表 2。

图 3

Fig. 3

图 3 Apollo 16样品采集路线图(底图据融合后M3数据)Fig. 3 Apollo 16 Sample collection road map (base map after fusion of M3 data)

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 Apollo采样点岩石样品分类一览表 Table 2 Apollo rock sample classification list 样品类型 样品号 样品类型 样品号 钛铁矿玄武岩 10003、10020、10022、10024、10029、10032、10044、10045、10047、10049、10050、10057、10058、10062、10069、10071、10072、10092、12005、12016、12022、12045、10047、10049、10050、10057、10058、10062、10069、10071、10072、10092、12005、12016、12022、12045、12046、12047、12051、12056、12061、12062、12063、12064、70017、70035、70135、70255、74255、75015、75035、75055 嵌晶结构撞击熔融角砾岩 玻璃基质角砾岩或风化泥块 震动苏长角砾岩和尖晶石橄长碎屑岩 铁斜长岩 77135 15435 15445 67635、67636、67637 风化角砾岩 10046、10048、10060、10063、10065、10068、12010、14301、15015、15059、15295、、15298、15299、15565 标准的橄榄石玄武岩 15557、15598、15605、15606、15607、15651、15658、15535、15536、15545、15674、15675、15676、15678、15683、15647、15555 粗糙的标准橄榄石玄武岩 15610、15633、15641、15663、15634、15639 撞击熔融角砾岩 14311、15206、72315、72335、72355、72395、72435、72535、72536、73216、73217、76295、76315、77035、77115、76035、76055 多孔嵌晶状撞击熔融角砾岩 76015、76215 橄榄玄武岩 12002、12004、12006、12012、12014、12018、12020、10035、12036、12040、12372、12075、12076、12077、14071 长石玄武岩 12038、14310 多孔状标准的橄榄石玄武岩 15665、15669、15669、15659、15663、15672、15614、15616、15620、15622、15623、15630 苦橄质玄武岩 15385、15387 易变辉石玄武岩 15058、15075、15076、15085、15115、15682、15117、15118 遭冲击橄榄石玄武岩 15379、15380 撞击熔融玄武岩 68415、68416、60235、60335、60615、63549、65055、67095 玻基斑状易变辉石玄武岩 15485、15486、15125、15597 撞击熔融玻璃 15308、15356、13357、15359、15436 粗粒度标准的橄榄石玄武岩 15546、15547 易碎斜长岩 60055、60056、60057、60058、60059 斑状标准的橄榄石玄武岩 15661 碎裂斜长岩 60015、69955、62275、65325、65327 斑状橄榄石玄武岩 15105 碎裂橄榄岩 72415、72416、72417、72418 榄榄石钛铁矿玄武岩 74275 多孔状月海玄武岩 15529、15556、15695、15696、15697 玻璃质钛铁矿玄武岩 12054 长石粒状冲击岩 76230、76235、76239、76305、76307 高K钛铁矿玄武岩 10017 隐晶质撞击熔融玄武岩 72215、72235、72255、73215、73235 多孔斑状易变辉石玄武岩 15495 多孔状钛铁矿玄武岩 75075、71035、71036、71037、71055 橄榄石玻基斑岩玄武岩 12008、12009 震动苏长岩 78235、78236、78238、78255 高钛玄武岩 75085、75089 震动玄武岩 79155、15648、15649 中粒度标准的橄榄石玄武岩 15662 斑状易变辉石玄武岩 15388、15666、15475、15476 多孔状橄榄石玄武岩 15016 撞击熔融玻璃质纹理玄武岩 67935、67936、67937 微嵌晶状的撞击熔融玄武岩 73275 多孔状玻基斑状易变辉石玄武岩 15495、15496、15499 粉红色尖晶石橄长岩 65785 撞击熔融碎裂苏长岩 77075、77076、77077 富克里普矿物玄武岩 15205 强烈震动角砾状麻粒岩 15418 定向的、玻璃包裹的撞击熔融岩 64455 玻璃球 14425、60095 嵌晶结构的撞击熔融岩 60315 气孔状玻璃斜长岩 60665 橄榄石玻基玄武岩 12015 撞击熔融斜长岩 60618 玻璃基质风化角砾岩 15459 苏长斜长岩 67955 带状撞击熔融角砾岩 76255 低铁苏长岩 62236 隐晶质撞击熔融角砾岩 73255 碎裂苏长岩 玄武岩 77215 14053、15119 长石二辉橄榄岩 67667 碎屑状角砾岩 14076 花岗变晶状冲击岩 72559 富碎屑角砾岩 14321 玻璃珠 15307 角砾岩 15405 辉石玄武岩 15116 富碎屑冲击角砾岩 14306 粒状苏长玄武岩 78527 玻璃质碎裂斜长岩 65315 非常规玄武岩 15608 熔融斜长岩 62255 橄长岩 76535 震动苏长角砾岩 15455 月海玄武岩 花岗变晶玄武岩 70215 60619 多孔嵌晶结构的撞击熔融玻璃 63596 玄武岩角砾岩 克里普玄武岩 15256 15386 多孔状嵌晶结构角砾岩 76135 玻基斑状玄武岩 生锈的撞击熔融岩 10031 66095 玻璃包裹，高震动斜长岩 60135 玻璃质角砾岩 64435 破碎风化帽斜长岩 61016 复矿碎屑角砾岩 72275 结晶质角砾岩 14303、14304、14305

表 2 Apollo采样点岩石样品分类一览表 Table 2 Apollo rock sample classification list

利用NASA行星数据系统提供Apollo计划登月点采样线路影像数据，通过与嫦娥二号CCD数据、印度M³数据空间校正获得采样路线坐标。首先统计Apollo采样点处的各类岩石样本，并进行岩性分类(表 2)，在定标后M³的上提取与之对应的光谱信息，形成遥感影像背景下的Apollo采样岩石光谱库(杜劲松等，2010; 乔乐等， 2012，2013)。

通过观察发现相同岩性样本光谱特征具有很高的相似性，所以要进行聚类分析，选出月球典型岩性特征光谱，去除相似性，得到稳定光谱。钛铁矿玄武岩聚类图见图 4。

图 4

Fig. 4

图 4 钛铁矿玄武岩样品聚类分析图Fig. 4 Clustering analysis diagram of ilmenite basalt samples

从图 4的聚类可知，钛铁矿玄武岩岩石标本分为52种，对这52标本进行聚类分析，从已知样本可结果看知，同种岩性的光谱98.9%都聚类在一类中，说明了所提取的光谱的可靠性的同时，也充分证明了聚类方法的可行性，做完连续统剔除后，样品间的差距被拉大了，采用二次偏最小二乘均一去冗余，在总体上还是可以归为一类，说明同类岩性的样品虽然有一定的差异，但总体上表现趋于一致，以此类推得到87种岩性标准光谱影像光谱(Bogard et al., 1973; Cirlin and Housley， 1982)。例如10046样品在580.76nm、730.48nm、970.02nm、2177.72nm处存在较强的吸收谷，在660.61nm、790.37nm、1449.11nm、1698.63nm处存在较强的反射峰；14303样品在500.92nm、580.76nm、730.48nm、989.98nm、1389.22nm、1658.71nm、1978.10nm处存在较强吸收谷，在540.84nm、1369.26nm、1698.53nm处有较强的反射峰；15546样品在540.84nm、970.02nm、1938.18nm、2057.95nm处存在较强吸收谷，在1449.11nm、1618.79nm处存在较强反射峰；15529样品在970.02nm、2057.95nm处存在较强吸收谷；65325样品存在500~2500nm间基本呈等间距形成多个吸收谷与多个反射峰；67936样品最强的吸收谷在950.06nm处，67955样品在660.61nm、970.02nm、1429.15nm、2177.72nm处存在较强的吸收谷(Lim et al., 2013)。七种典型岩石影像光谱曲线图见图 5。

图 5

Fig. 5

图 5 七种典型岩石影像光谱曲线Fig. 5 Seven typical rock's image spectrum curve

Apollo 16的登录点选择在两个高地区域——笛卡尔建造和凯里建造，在任务之前，人们认为这两个区域都是火山起源的，后来返回的样品推翻了这个认识，这些区域是撞击产生的地质单元。这两个区域的面积占了月球的11%，因此对于认识月球的历史具有很重要的意义，另一方面，笛卡尔建造和其它登陆点的距离远，有助于组成更好的地球物理观测网。

这次任务中宇航员穿越了26.7km，在11个点共采集到95.7kg样品。Apollo 16共计取样151个，其中20个为碎裂斜长岩，8个为火成岩，其余为部分熔融或重结晶角砾岩(李力等，2012; 连懿等，2014)。8个火成岩样品中包括一个尖晶石橄长岩，6个熔融岩以及在60639角砾岩中的一个大的月海玄武岩玻璃。Dowty et al.(1974)通过对阿波罗16中7个由全晶质的长石构成的岩石和1个月海玄武岩玻璃的研究，认为很少或者可能只有一种岩石可能是初级的地壳岩石。这些样品的岩石学和矿物学研究可能帮助人们更好的理解原始岩石地壳的修改进程(张明皓等，2007; 张薛伟等，2014; 吴昀昭，2014; 刘菁华等，2014)。

Haber et al.(2014)将Apollo 16的一套不同的撞击熔融岩石作为研究对象，通过此次研究计算岩石年龄，分析元素组成，放射性同位素数据，进行岩相学观察。Krahenbuhl et al.(1973)通过中子活化分析了阿波罗16的42个样品，研究了月球上的挥发性元素和亲铁元素，这些数据与Ganapathy et al.(1974)、Morgan et al.(1973)研究阿波罗15样品数据相似，这些结果对全球范围内的两个主题：挥发性元素在月球上的损耗、从盆地形成时代开始的古老的陨石组分的存在以及阿波罗16场地的岩石学特征有一定的启示(Wilshire et al., 1973)。

本次选择区域为Apollo 16登月采样点外围纬度：10°50′48″~6°55′8″S、经度：14°20′14″~15°54′5″E。区域包含Apollo登月点、采样区域以及外围约60万平方千米区域，与登月区域距离沿相同距离延展。使用M³可见-近红外数据，利用全谱段特征方法建立，把每条典型岩石光谱按照自左至右波长延展方向，按照波峰、波谷、半高峰、斜率在研究区逐像素进行全波段匹配，填图结果见图 6；区域共填出41类岩性(图 7)，其中熔融斜长岩、定向的、玻璃包裹的撞击熔融岩、玻璃质碎裂斜长岩、气孔状玻璃斜长岩、粉红色尖晶石橄长岩、花岗变晶玄武岩占据整个区域95%(凌宗成等，2013)。

图 6

Fig. 6

图 6 Apollo16区域岩性分布图Fig. 6 Apollo 16 regional lithology profile

图 7

Fig. 7

图 7 Apollo 16区域岩性含量曲线图Fig. 7 Apollo 16 graph of regional lithology content

研究区岩性图(图 6)表明，以笛卡尔撞击坑为界，熔融质斜长岩占据近55%区域，北部分布明显高于南部；角砾岩在登月点以南逐渐增多，粉红色尖晶石橄长岩在Apollo 16南部登月点与顶北部、南部较多；花岗质玄武岩自北向南呈带状分布与此同时撞击熔融质岩石遍布整个区域。

岩浆洋演化认为当岩浆洋结晶程度达到80%左右的时候，斜长石开始结晶，由于其密度较小，在月球表面形成一个厚的斜长岩月壳。因重力作用而堆积在月幔的下部，由纯橄岩和方辉橄榄岩组成。通过分析整个在Apollo 16收集的样品以及反演区域岩性结果，Apollo 16北部分布大量月海，此区域可能主要由月海溅射物和大量的原生物质覆盖，区域大面积斜长岩也验证该区域来自于岩浆洋而不是火山起源，不计其数的次级撞击造成深部尖晶石等物质上涌以及再次熔融Spudis(1984)综合针对Apollo 16高地位置的多种地质演化成因推测并结合个人研究得出：Apollo 16登月点区域地质演化结论及过程与其地质演化相关的地质事件(Nectaris笛卡尔构造的沉积、Imbrium的凯里构造沉积和诸多次级坑撞击事件)密切相关。Hodges and Kushiro(1973)利用电子显微探针和光学原理研究了Apollo 16采集的4个月球高地样品(碎裂斜长岩60025，132、长石玄武岩68416，78、尖晶石橄长岩，62295，68、重结晶角砾岩，60315，62)的岩石学特征。本文认为此区域由周围酒海盆地、静海盆地等盆地撞击溅射沉积——盆地内月海物质被后期撞击溅射出来沉积——本区域撞击改造以及撞击造成内部物质出露。

由此可知该区域可能发生过溅射物堆积阶段、熔融阶段、次生再撞击阶段。此方法对于月球大面积精细岩性填图起到很好的效果，对于验证月幔不均一性，以月球典型岩石为研究对象，通过岩性细致分析，寻找其中蕴含的源区岩浆信息，从而探讨月海岩浆洋结晶分异的规律，加深对月幔随深部的组成变化特征的认识。