层状硅酸盐是地质历史时期水-岩相互作用的产物，是认识火星早期气候的重要研究对象。火星遥感探测任务发现了多种类型层状硅酸盐的广泛出露；美国“好奇”号就位探测揭示着陆区沉积岩中层状硅酸盐为弱晶质特征。山东大学、美国圣路易斯华盛顿大学合作探索了层状硅酸盐结晶度对其光谱特征的影响。本研究在实验室生成一系列具有不同结晶度特征的皂石样品，并对合成产物的晶体结构和光谱特征进行系统分析。研究结果表明，随着皂石结晶度的增加，其可见-近红外光谱中Metal-OH特征峰形态发生明显演变。基于实验结果，该团队提出以该特征峰光谱的一阶导数作为判断层状硅酸盐结晶度的光谱指数，应用于火星Nili Fossae地区，并区分出该地区不同结晶度的蒙皂石。
遥感探测揭示火星上存在多种的蚀变矿物类型，具体包括层状硅酸盐、硫酸盐、含水二氧化硅、碳酸盐、铁氧化物/氢氧化物等等。其中，层状硅酸盐因其广泛存在及其潜在的古气候指示意义是火星次生蚀变矿物研究的重点。
早期火星层状硅酸盐等蚀变矿物是通过天文望远镜观测来寻找。层状硅酸盐存在的确凿证据来自于2005年欧空局火星快车任务搭载的OMEGA光谱仪对火星的高光谱探测。之后美国航空航天局MRO任务上CRISM光谱仪返回的数据发现了更多类型的层状硅酸盐，并在南半球更大范围内发现了这类矿物的出露。火星次生矿物的全球尺度识别主要是依据遥感光谱与实验室光谱的比对。其中，层状硅酸盐是通过近红外波段1.4 μm（OH倍频）、1.9 μm（H-O-H）、2.15~2.4 μm（Metal-OH）的吸收特征来识别。
在巡视探测任务中，美国“好奇”号火星车搭载的化学及矿物学分析仪（CheMin）首次对火星泥岩、粉砂岩等沉积岩进行分析，并识别出其中的层状硅酸盐具有弱结晶（Poorly crystalline）结构特征。以Sheepbed泥岩为例，其XRD衍射图在2θ角12~17°范围显示出较宽的（001）衍射峰，指示泥岩中蒙皂石为弱晶质状态。
CheMin的就位探测结果对火星其它地区出露层状硅酸盐的结晶度提出质疑，同时也提出以下问题：这种弱结晶特征是否是全球广泛存在？火星不同区域层状硅酸盐结晶特征有什么样的差异？另外，目前亟需一种基于遥感可见-近红外光谱的有效方法，来约束火星全球范围内层状硅酸盐的结构有序性。
针对这些科学问题，山东大学、美国圣路易斯华盛顿大学开展合作，设计了皂石水热合成模拟实验，生成一系列具有相同化学成分、不同结晶度的皂石样品。同时，利用X射线粉晶衍射（XRD）、核磁共振（NMR）等多种结构分析方法，研究皂石长程和短程有序特征，确定皂石的结晶度；对皂石样品进行了可见-近红外和拉曼光谱表征，分析其结构有序性对光谱特征的影响。
图1 合成皂石Metal-OH特征峰及其一阶导数（FD）光谱
研究发现，随着结晶度的升高，皂石可见-近红外反射光谱中Metal-OH特征峰的峰强有增加趋势，而且由一个宽峰逐渐演变为双峰。为了对该吸收峰的变化规律进一步量化，本研究计算了皂石可见-近红外光谱的一阶导数（FD），结果显示所有皂石FD光谱在2.26~2.32 μm处都存在以2.297 μm为中心的峰，且其峰强随结晶度的升高而增大。该光谱的变化规律可以反映蒙皂石晶体的结构有序性，显示出较好的应用潜力。
为了分析该规律是否适用于火星遥感数据，按照CRISM数据波段间隔对实验室获得的可见-近红外反射光谱进行重采样，并计算FD光谱。重采样后的可见-近红外反射光谱与FD光谱均保持原有的光谱变化规律。这证实了利用Metal-OH光谱吸收特征来约束层状硅酸盐结晶度的可行性。
同时，本文还选择火星上富集层状硅酸盐区域Nili Fossae对实验室结果进一步验证。该区域富Mg蒙脱石的CRISM光谱可根据其Metal-OH吸收特征分为两类：A类为在2.28~2.33 μm处有清晰双峰特征，其FD光谱在2.306 μm处存在明显的峰；B类CRISM光谱是指在2.28~2.33 μm处只存在一个宽峰，其FD光谱表现为正斜率的坡。通过对比发现，A类光谱与较高温度下（140~200 ℃）合成皂石光谱相匹配，代表结构有序性较好的富Mg蒙脱石；而B类光谱与较低温度下（80~120 ℃）合成皂石光谱特征相符，反映其结晶度较差。
图2 两类Mg-蒙脱石的CRISM光谱及其对应的FD光谱。其中，a、c为A类富Mg蒙脱石的CRISM光谱和FD光谱；b、d为B类富Mg蒙脱石的CRISM光谱和FD光谱。
本研究深化了层状硅酸盐晶体结构有序度对其光谱特征影响的认识，提出了一种可用于确定火星蒙脱石以及其它层状硅酸盐结晶度的光谱参数。同时，本研究获得了一套不同结晶度皂石的可见-近红外、拉曼光谱数据，弥补了已有矿物光谱数据库中弱结晶矿物的数据不足。以上数据和理论知识，可直接应用于我国天问一号的遥感光谱数据解译，助力我国首次火星探测任务在火星蚀变矿物方向形成新的突破。
本研究以《Crystallinity effects on the vibrational spectral features of saponite: Implications for characterizing variable crystalline phyllosilicates on Mars》为题发表于Icarus。论文第一作者为硕士研究生张聆汐，通讯作者为付晓辉副研究员。该成果得到了中国科学院B类先导专项（XDB 41000000）、国家自然科学基金等项目资助。
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