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月壤中普遍存在的由太空风化作用产生的纳米金属铁会改变紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)光谱特征,从而影响UV-VIS-NIR多光谱遥感的准确解译。本研究根据月壤中纳米金属铁的成因和特征,分别采用微波加热技术和磁控溅射技术模拟出胶结玻璃中和颗粒表面含有纳米金属铁的样品,通过分析模拟实验前后样品的UV-VIS-NIR光谱特征,深入探讨了纳米金属铁和UV-VIS-NIR光谱的具体关系。
模拟含有纳米金属铁的样品是本研究的一个重要内容。本研究首次利用微波加热技术对钛铁矿进行高温加热,模拟出了胶结玻璃中含有纳米金属铁的样品。实验产物的化学成分、物相以及金属铁特征分析表明钛铁矿加热后还原出一定的金属铁,并分布于多组分的玻璃中,其中加热到1300℃后保温8min的产物中金属铁的粒径为100～800nm,接近月壤样品中胶结玻璃中纳米金属铁的特征。本研究首次利用磁控溅射技术对橄榄石、辉石、斜长石、钛铁矿和模拟月壤CLRS-2进行实验,模拟生产出了颗粒表面含有纳米金属铁的样品。实验产物的化学成分、物相和磁性以及金属铁的形态、分布和含量分析表明实验产物颗粒表面含有0.5～0.9wt％的纳米金属铁,其粒径大约为20～30nm,与真实月壤样品中颗粒表面的纳米金属铁特征相似。因此,微波加热技术和磁控溅射技术可以较好地模拟生成胶结玻璃中和颗粒表面含有纳米金属铁的样品。
基于上述微波加热和磁控溅射技术制备了研究所需的模拟样品,根据穆斯堡尔谱和原子吸收光谱(AAS)对样品中纳米金属铁含量进行了估算,并采用不同比例的原始样品和实验产物混合来获得不同纳米金属铁含量的模拟样品,以满足分析的需要。通过对比分析模拟实验前后样品的UV-VIS-NIR光谱特征,利用曲线拟合方法获得了纳米金属铁含量和UV-VIS-NIR.光谱整体反射率、吸收深度、吸收宽度和连续统之间的函数关系,结果表明纳米金属铁会降低UV-VIS-NIR.光谱整体反射率、减弱吸收特征和使连续统变红,这与纳米金属铁对真实月壤的影响基本一致,但对辉石光谱的吸收特征的改变和对橄榄石光谱的连续统的改变则表现出相反趋势。利用对拟合函数求导方法分析纳米金属铁含量对样品UV-VIS-NIR光谱特征的影响程度发现,当纳米金属铁含量＜0.5wt%时,其对橄榄石和辉石的光谱整体反射率,对橄榄石的光谱在1μm附近的吸收深度和吸收宽度以及斜长石的光谱连续统影响最为显著;随着纳米金属铁含量增加,其影响程度逐渐减弱变缓。利用线性混合模型分析不同纳米金属铁含量的单矿物UV-VIS-NIR光谱特征对模拟月壤的贡献发现,模拟月壤CLRS-2的UV-VIS-NIR光谱整体反射率的改变主要受橄榄石和钛铁矿控制;模拟月壤CLRS-2的UV-VIS-NIR光谱在1μm附近吸收深度的改变主要由斜长石和钛铁矿控制,而在2μm附近吸收深度的改变主要由橄榄石控制;模拟月壤CLRS-2的UV-VIS-NIR光谱在1μm附近吸收宽度的改变主要受钛铁矿和辉石控制;模拟月壤CLRS-2的UV-VIS-NIR光谱连续统(斜率)的改变主要受橄榄石和辉石所控制。