火星相关黄钾铁矾的实验室模拟与光谱学研究

摘要

含水硫酸盐矿物的化学成分、晶体结构和光谱特征对于火星矿物的识别和了解火星水热作用的历史必不可少。黄钾铁矾是火星上第一种利用遥感、就位和陨石研究三种手段都观测到的硫酸铁矿物，在地球上主要出现在酸性、富S的环境中（如富S岩石的风化、矿山酸性废水的沉积），因此火星黄钾铁矾是火星曾存在酸性水环境的重要证据之一。然而，黄钾铁矾实验室光谱研究并不完善，不足以支持火星就位探测（如拉曼）对黄钾铁矾化学成分的精细研究;且目前对火星遥感数据的解译通常在单矿物角度进行，但在遥感数据的空间分辨率上该条光谱无疑包含多种矿物的光谱信息。本研究聚焦于火星上可能存在的K、Na、H3O黄钾铁矾固溶体体系，对黄钾铁矾进行了较为系统实验室光谱学研究，为目前火星轨道遥感和未来火星就位探测对黄钾铁矾的精细研究提供了较为完善的基础光谱数据支持和重要的实验室约束。本文主要分为以下三个部分开展:
　　1)黄钾铁矾固溶体体系实验室模拟与光谱学研究
　　本研究合成出25种黄钾铁矾纯相（包括22种固溶体和3种端元），利用扫描电镜-X射线能谱仪(SEM-EDS)获得样品化学成分，通过X射线衍射(XRD)确定样品的晶体结构，并对样品进行系统的光谱学表征(包括拉曼光谱、可见近红外(VNIR)光谱和中红外(MIR)光谱等），建立黄钾铁矾光谱特征和化学成分之间的联系。本研究发现不同黄钾铁矾样品的拉曼、MIR和VNIR光谱特征随成分发生规律性变化，并利用拉曼和VNIR光谱各自获得了黄钾铁矾化学成分的预测公式。
　　2)黄钾铁矾混合光谱研究
　　本研究首先依据黄钾铁矾固溶体(JSS)的化学成分将黄钾铁矾端元进行混合，获得了22组黄钾铁矾物理混合物(JPM)，并利用XRD、拉曼、VNIR三种手段分析JSS和JPM的差异。本研究发现，JPM的XRD谱图在28～30°范围内存在明显的峰位叠加;某些JPM的拉曼光谱在400～500cm-1范围内存在端元谱峰叠加而成的较宽的谱峰，而JSS表现为随成分规律性变化的拉曼谱峰;VNIR在2100～2300nm和2300～2500nm范围内，中等H3O含量(30～60％)的JPM双峰特征比JSS明显，而较低H3O(10～25％)和较高H3O(70～80％)黄钾铁矾样品的JSS双峰特征比JPM明显。
　　本研究随后购买蒙脱石、高岭石和石膏，并合成了明矾石和烧石膏，将K端元的黄钾铁矾(K-Jar)和上述样品在不同比例下混合（1∶3，2∶2和3∶1），分析了15种混合样品和6种纯净矿物的VNIR光谱，发现所有样品长波峰强度(～2270nm)随黄钾铁矾的增加而增大，而短波吸收峰强度变化五组样品各不相同:黄钾铁矾和明矾石(JA)系列样品的长波峰强度随黄钾铁矾增大而降低，黄钾铁矾和高岭石(JK)系列样品不存在线性关系，黄钾铁矾和蒙脱石(JS)、黄钾铁矾和石膏(JG)、黄钾铁矾和烧石膏(JBA)系列样品随黄钾铁矾增加而增强。本研究利用这一规律获得了混合物中黄钾铁矾含量的预测公式。
　　3)火星黄钾铁矾遥感光谱的初步应用
　　本研究选取了美国火星探测任务Mars2020预选着陆区Jezero撞击坑西南方向的一个区域(HRL0000B8C2)，提取了其中含黄钾铁矾的光谱，并利用本文获得的规律对该条光谱作了解译。根据本研究的实验结果约束，该区域的黄钾铁矾可能以固溶体的形式存在，且其中H3O含量约为Na的2.6倍，K的3.5倍;也可能存在黄钾铁矾和蒙脱石的混合，且其中黄钾铁矾的含量范围为25～50wt％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 火星黄钾铁矾的就位和遥感探测

1．3 火星相关黄钾铁矾的实验室研究进展

1．4 本文研究内容

第二章 黄钾铁矾端元及固溶体的合成和光谱学表征

2．1 前言

2．2 黄钾铁矾端元及固溶体的合成

2．3 黄钾铁矾样品测试

2．3．2 XRD测试和晶体结构分析

2．3．3 拉曼、MIR、VNIR光谱学表征

2．4 黄钾铁矾化学成分

2．5 黄钾铁矾晶体结构

2．6 黄钾铁矾光谱学研究

2．6．1 黄钾铁矾的拉曼光谱学研究

2．6．2 黄钾铁矾的中红外光谱学研究

2．6．3 黄钾铁矾的可见近红外光谱学研究

2．7 本章小结

3．1 前言

3．2 黄钾铁矾固溶体和物理混合物的光谱学差异

3．2．1 黄钾铁矾混合样品的制备

3．2．2 黄钾铁矾的XRD测试和光谱学表征

3．2．4 黄钾铁矾固溶体和物理混合物的差异

3．3 黄钾铁矾与其他矿物的混合光谱研究

3．3．1 样品的制备

3．1．2 样品的XRD和VNIR测试

3．3．3 端元样品的物相鉴定

3．3．4 混合样品的VNIR光谱学分析

3．4 本章小结

4．1 前言

4．1．1 CRISM简介

4．1．2 CRISM数据前期预处理过程

4．2 CRISM研究区域及光谱信息提取

4．2．1 研究区域简介

4．2．2 光谱信息提取

4．3 黄钾铁矾的CRISM数据分析

4．3．1 从单矿物相角度解译

4．3．2 从混合相角度解译

4．3 本章小结

第五章 结论

附录

参考文献

致谢

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