激光诱导击穿光谱(LIBS)评估玄武岩化学风化程度及其对火星研究的启示

针对火星化学风化程度评估难题，中国研究团队以海南岛玄武岩风化剖面为火星类比样本，利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术建立偏最小二乘(PLS)模型，首次实现LIBS数据直接推算化学风化指数(CIA/IOL)，精度优于传统元素丰度计算法，为火星地质历史与气候演变研究提供新方法。

　　

在红色星球火星的表面，探测器传回的数据不断揭示着这颗行星复杂的地质历史。与地球类似，火星表面也经历了化学风化过程——岩石在近地表条件下发生的化学变化，这一过程与古代火星可能存在的温暖湿润环境密切相关。理解火星的化学风化程度，对于重建其气候演变历史和地质活动至关重要。然而，火星表面的极端环境使得传统的地质采样和分析方法难以实施。幸运的是，搭载在"好奇号"、"毅力号"和"祝融号"火星车上的激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，以其快速、无需样品制备和远程探测的优势，成为研究火星表面物质组成的有力工具。

尽管LIBS技术已在火星表面获取了大量数据，但如何从这些数据中准确提取化学风化程度信息仍是一个挑战。传统方法是通过LIBS数据推算元素丰度，再计算化学风化指数，但这种方法受到基质效应的影响，精度有限。更关键的是，LIBS数据中可能隐藏着与风化程度直接相关的潜在信息，这一领域尚未被充分探索。

针对这一科学问题，中国山东大学等机构的研究人员开展了一项创新性研究。他们选择中国海南岛的玄武岩风化剖面作为火星类比样本，在模拟火星环境的条件下采集LIBS光谱数据，建立了直接关联LIBS数据与化学风化程度的偏最小二乘(PLS)模型。这项研究发表在《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》上，为火星化学风化研究开辟了新途径。

研究人员主要采用了三项关键技术方法：首先，使用山东大学LIBS系统(SDU-LIBS)在模拟火星环境条件下获取风化剖面样本的光谱数据；其次，基于火星类比库(MAL)建立PLS定量模型，推导主要元素(Si、Ti、Al、Fe、Mg、Ca、Na、K)含量；最后，创新性地构建PLS模型直接关联LIBS数据与化学风化指数(CIA和IOL)，并与传统X射线荧光光谱(XRF)结果进行对比验证。研究样本来自海南岛澄迈(CM)玄武岩风化剖面53米长的钻芯，该剖面形成于热带气候下数百万年的深度风化过程。

LIBS-derived elemental abundance
通过PLS模型获得的LIBS推导元素含量与XRF参考值总体吻合，但风化剖面中的铁氧化物和绿脱石等矿物会影响LIBS定量结果。这些矿物在火星表面普遍存在，提示在解释火星LIBS数据时需要特别关注此类物质的影响。

Weathering degree derived from PLS models
研究构建的PLS模型能够直接从LIBS光谱推算化学风化指数，其精度显著优于传统方法。模型识别出LIBS数据中与风化程度相关的潜在信息，如某些特定光谱特征与风化强度的关联，这为LIBS技术在行星风化研究中的应用提供了新思路。

Elemental behaviors with depth
LIBS数据揭示的元素相关性及随深度变化规律与XRF结果一致，验证了LIBS在风化序列地球化学分析中的可靠性。特别是Fe、Al等元素的迁移行为与风化程度显示出良好的对应关系，这些发现可直接应用于火星表面物质的风化程度评估。

Conclusions
该研究证实LIBS技术是评估火星表面化学风化程度的强大工具。创新性的PLS模型实现了从LIBS数据直接获取化学风化指数，避免了传统方法中元素定量环节引入的误差。研究还发现风化产物如铁氧化物会影响LIBS定量结果，这对正确解读火星车探测数据具有重要指导意义。

这项工作的科学价值主要体现在三个方面：首先，建立了首个直接从LIBS光谱评估化学风化程度的方法体系；其次，为火星表面风化过程研究提供了可靠的地球类比样本分析数据；最后，为未来火星探测任务中的LIBS数据解读建立了方法论基础。特别是对"祝融号"火星车MarSCoDe载荷获取数据的分析具有直接参考价值，将助力揭示乌托邦平原南部区域的地质演化历史。

Guobin Jin等研究人员的这项工作，不仅推动了LIBS技术在行星科学中的应用边界，也为理解火星表面过程与气候历史提供了新的研究范式。随着更多火星探测数据的传回，这种创新的分析方法将发挥越来越重要的作用，帮助人类揭开红色星球的地质之谜。