摘要：月表元素分布是月球地质研究的重要素材。利用表面就位探测数据和采样返回样品化学成分结合遥感探测数据计算全月元素分布是一种重要的手段。中国地质大学（武汉）和武汉大学的研究团队利用我国嫦娥五号返回月球样品的化学成分和嫦娥三号就位探测的月壤成分，以及前期月球样品的化学成分，利用一维卷积神经网络算法（1D-CNN）重新处理了月球轨道多光谱数据（MI），制作了五种主要氧化物（Al₂O₃、CaO、FeO、MgO和TiO₂）和Mg#新的数值地图。这些地图有望对后续月球地质研究和探测提供一些新的启示。

主要内容：月球表面主要氧化物及Mg#(Mg/(Mg+Fe)摩尔百分比)值对于揭示月球的岩石学特征至关重要，这些岩石学特征记录了月球的起源及地质演化历程。另外，典型相关元素丰度（铁和钛）的研究也对月球资源开发、基地建设有着重要意义。铁、钛等元素在紫外（UV）和可见近红外（VNIR）波段具有吸收特征，主要氧化物含量可通过光学遥感数据反演（Lucey, 1995）；同时，国内外月球探测任务获取了大量月表氧化物“地面真值”数据（图1）。光学遥感数据和月表氧化物“地面真值”数据的结合，为月表全球氧化物的反演提供了契机。

图1 月球探测任务采样点主要氧化物含量“地面真值”位置（注：CE-3为月球车分析数据）

数据上，我们选用空间分辨率更高（约59米/像元）、受地形阴影干扰小的MI数据(Ohtake等，2013)；方法上，我们采用一维卷积神经网络（1D-CNN）来构建数学模型，来描述主要氧化物含量“地面真值”与遥感数据采样点位置反射率值之间的关系。1D-CNN模型网络结构如图2所示，网络的输入数据对应MI多光谱数据的8个波段的光谱反射率值。卷积层用于提取特征向量。为了避免过度拟合问题，特征向量大小通过池化层压缩。之后，通过全连接层将特征图转换为一维特征向量。最后，通过线性激活函数将提取的特征转换为相应的样品化学成分数据（即氧化物含量的预测值）。

图2 基于1D-CNN的月表主要氧化物反演模型

利用前文训练好的1D-CNN网络模型，将月表8个波段的MI数据作为输入数据，获得月表主要氧化物（Al₂O₃、CaO、FeO、MgO和TiO₂）含量以及Mg#的全球分布图（图3所示）。

图3月表 (a) A₂O₃、(b) CaO、(c) FeO、(d) MgO、(e) TiO₂和(f) Mg#新地图

我们选取了梅朗撞击坑内的火山穹窿（43.76°N, 49.90°W）以及索西琴尼撞击坑内的不规则月海斑块（8.34°N, 19.07°E）两块感兴趣区域进行分析来证明这些新地图的地质意义。其中，火山穹窿是月球表面一种典型的环形构造，是了解月球火山活动的重要窗口。我们分析了位于梅朗撞击坑内的四个火山穹窿（图4a所示），这四个火山穹窿从北到南分别为东北穹窿（Northwest Dome）、梅郎T穹窿（Mairan T Dome）、中部穹窿（Middle Dome）和南部穹窿（South Dome）。成分上，穹窿与月海存在明显差异，意味着两者的形成时间不同。东北穹窿成分与东部高地非常接近，均表现为富MgO的特征；其他三个穹窿成分上与东部高地差异较大，主要表现在富含Al₂O₃。不规则月海斑块（IMP）一组分布于月球正面月海地区的微小凹陷构造，准确认识其地质特征与成因将为研究月球地质及热演化提供关键约束。我们研究了索西琴尼撞击坑内的不规则月海斑块，根据Qiao等人(2018)的研究，索西琴尼撞击坑内的不规则月海斑块可分为三个单元（mound units、blocky units和hummocky units）；图4b所示，我们的主要氧化物三色图可以清晰的区分以上三个单元，表面三个单元在主要氧化物含量上存在差异。该特性可用于地质单元的划分。

图4 (a)火山穹窿和(b)不规则月海斑块区域成分图

相关研究成果近期发表在行星科学领域国际主流期刊《Icarus》上。第一作者为中国地质大学（武汉）博士研究生张良，通讯作者为黄俊教授。该成果得到国家重点研发计划（2021YFA0715100）、国家自然科学基金（42273041）和武汉科技计划应用基础前沿项目（2019010701011403）支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.icarus.2023.115505.

数据链接：https://doi.org/10.5281/zenodo.7262473, https://doi.org/10.5281/zenodo.7263324, https://doi.org/10.5281/zenodo.7263425, https://doi.org/10.5281/zenodo.7263592, https://doi.org/10.5281/zenodo.7264328, 和 https://doi.org/10.5281/zenodo.7264372.

参考文献：

Jolliff, B.L., Gillis, J.J., Haskin, L.A., et al., 2000. Major lunar crustal terranes: surface expressions and crust-mantle origins. J. Geophys. Res.: Planets. 105 (E2), 4197–4216.

Lucey, P.G., Taylor, G.J., Malaret, E., 1995. Abundance and distribution of iron on the Moon. Science. 268 (5214), 1150–1153.

Ohtake, M., Pieters, C.M., Isaacson, P.J., Besse, S., Yokota, Y., Matsunaga, T., Boardman, J., Yamomoto, S., Haruyama, J., Staid, M., 2013. One Moon, many measurements 3: spectral reflectance. Icarus. 226 (1), 364–374.

Qiao, L., Head, J.W., Xiao, L., Wilson, L., Dufek, J.D., 2018. The role of substrate characteristics in producing anomalously young crater retention ages in volcanic deposits on the Moon: Morphology, topography, subresolution roughness and mode of emplacement of the Sosigenes lunar irregular mare patch. Meteoritics & Planetary Science. 53(4), 778.