近日，山东大学行星科学团队在硅酸盐的拉曼定量研究方面取得新进展，通过分析拉曼光谱参数与矿物含量之间的关系，构建了硅酸盐三元混合物的拉曼定量模型，为行星表面物质成分的解译贡献了新方法。该研究于2023年5月在线发表于地球与空间科学期刊Earth and Space Science，第一作者为山东大学空间科学与物理学院博士生齐晓彬，通讯作者为山东大学凌宗成教授。本研究得到了国家自然科学基金、国家航天局民用航天技术预研项目以及山东省自然科学基金等项目的资助。

拉曼光谱技术由于其“指纹光谱”特性，已逐渐成为继可见近红外反射光谱等技术之后探测行星表面成分的新方法。20世纪末以来，拉曼光谱已广泛应用于地外样品和实验室模拟物质的科学研究中，加深了科学界对于月球和火星等天体表面环境和地质演化历史的认识。然而，以往对月球和火星矿物，特别是硅酸盐矿物的拉曼光谱研究大多侧重于矿物的定性识别，而不是定量测定矿物含量。

长石、辉石、橄榄石三大硅酸盐矿物是太阳系类地行星表面的主要矿物。这些硅酸盐成分的定量反演是理解月球（行星）表面地质历史的关键。现有的拉曼定量方法可分为两类：点计数法（拉曼成像法）和模型定量法。其中，点计数法通过在采样区域进行线或网格扫描，基于统计原理获得特定矿物的空间分布及含量，精度与采样点数正相关，在小光斑（~μm）的探测模式下应用较广，并不适用于存在“混合光谱”现象的远程拉曼（光斑尺寸大于单矿物粒径）光谱探测；定量模型法可综合考虑矿物化学成分、粒径、孔隙度等化学和物理性质的影响，在月面物质成分研究中具有极大应用潜力。嫦娥七号任务将开展月表远程拉曼光谱探测，但目前暂未有适用于多元硅酸盐混合物的拉曼定量模型，是亟待预先研究的方向之一。

图1. 三元混合物中橄榄石的相对丰度与相对峰面积之间的关系。（a，b）三维图。（c）曲线拟合的三维残差图。

本研究在实验室中制备不同相对含量的长石-橄榄石-普通辉石三元混合物，基于矿物含量、激光功率、拉曼散射截面等与特定拉曼峰的积分强度之间的比例关系构建定量模型。采用多点采样、多光谱平均、峰面积提取和光谱参数比等一系列方法，并引入相对拉曼散射截面，确保模型不受晶体取向、化学不均匀性和仪器的显著影响。显著的相关系数(>0.94)和较小的均方根误差(RMSE < 4.20 wt.%，目前可见近红外光谱定量模型的最佳RMSE < 6 vol.%)证实模型的性能。

图2. 不同混合物的矿物含量三元图

结果表明，长石、橄榄石和普通辉石的相对拉曼散射效率为1.4:2.4:1。在多矿物混合光谱占主导的情况下，这一相对关系可用来提高点计数法的定量精度。此外，我们还使用实验室混合物和嫦娥五号返回的真实月壤(CE5C0600)验证了这些模型。模型的矿物学定量结果表明，嫦娥五号土壤岩性为玄武质/辉长质，获得的矿物丰度与传统的X射线衍射法一致。这项研究有助于嫦娥七号和其他行星探测任务中利用拉曼光谱准确测定矿物丰度，推断探测区域地质演化历史的关键信息，拓展拉曼光谱载荷的科学产出，具有重要应用价值。

图3. 五种斜长石-橄榄石-普通辉石混合物的拉曼定量结果

论文信息：Qi, X., Ling, Z., Liu, P., Chen, J., Cao, H., Liu, C., et al. (2023). Quantitative mineralogy of planetary silicate ternary mixtures using Raman spectroscopy. Earth and Space Science, 10, e2023EA002825.

文章链接： https://doi.org/10.1029/2023EA002825