摘要
月表上放射性元素的含量分布在帮助我们理解月球的形成与演化中扮演着重要的角色，是所有探月工程中必不可少的科学目标。我国发射的嫦娥二号探月卫星，搭载了一台具有较高能量分辨率、高稳定性能的伽马射线谱仪(CE2-GRS)，其主要科学任务是在100km的环月轨道上对月表进行为期7个月的有效探测，以此获取月表物质成分以及绘制全月元素含量分布图。这是我国首次从月球接收到完全全球性的高质量的放射性数据。 本文使用嫦娥二号伽马能谱2C数据，经过数据筛选、宇宙射线校正、本底扣除、月表放射性元素含量反演等数据还原过程，首次得到了基于CE2-GRS数据的全月表1°×1°分辨率下的U、Th、K元素含量分布图。本文的工作主要分为以下几个方面： 1. 将 CE2-GRS 2C时间序列数据转换成月表 1°×1°高分辨率的月表区域网格数据。该过程包括谱线数据的筛选、增益与零点漂移校正以及能谱累计。首先，根据太阳活动影响、谱线总计数值范围和质量标志符状态筛选 CE2-GRS 2C 数据。筛选后数据约占数据总量的 98%。同时使用正电子湮灭峰以及其他明显的特征峰的位置校正谱线的增益与零点漂移，使所有谱线上的目标元素特征峰处于同一能道，减小各特征峰计数在能谱累计平均和特征峰面积计算时的因峰位置不统一而产生的误差。最后采用柱状映射法将全月表时间序列数据转换成1°×1°分辨率的月表区域网格累积平均数据。 2. 对嫦娥二号伽马能谱的本底组成进行了详细的分析，针对不同本底来源，采用不同的本底扣除方法：用奔月期间的巡航谱扣除了仪器上138La对K元素的影响；用 SNIP算法扣除谱线特征峰的散射本底；针对 CE2-GRS在探测过程中受到的宇宙射线的影响，采用以 6.13MeV 的氧元素能量段计数值为标准以及8～8.75MeV 高放射性能量段计数值为标准两种方法，对宇宙射线进行归一化处理。在没有得到较好的结果的情况下，用EMD模态分解方法扣除了包括宇宙射线在内的所有环境背景的影响。这是首次将EMD方法应用到探月伽马能谱数据的本底扣除中，并取得了较为理想的效果。 3. 选择不同的降噪方法对能谱曲线的统计涨落问题以及 1°×1°高分辨率元素计数率地图的噪点问题进行处理。对单条谱线做离散小波分析降噪，在最大限度的保留特征峰峰值的同时，有效降低了谱线的噪声波动，对提高元素特征峰面积的求解精度具有重要贡献。对计数率地图数据做二维中值滤波降噪处理，得到高精度高分辨率的U、Th、K元素全月计数值分布图。 4. 采用线性拟合和 Lawrence等人提出的绝对含量反演模型两种月表放射性元素含量反演方法对基于CE2-GRS数据得到的U、Th、K元素计数值进行反演计算和对比分析，并将反演结果与基于LP-GRS数据得到的全月表U、Th、K元素含量结果进行对比。三种数据得到的放射性元素总体分布呈现较高的一致性，基于 LP-GRS 数据的大分辨率制图使小面积的放射性元素富集区域内的计数与周围较低元素丰度的区域计数平均，使解析反演得到的丰度随着地图分辨率变大而降低。本文得出的1°×1°高分辨率元素含量分布图保留了月表U、Th、K元素含量分布的细节信息。 5. 基于 CE2-GRS 数据反演得到的全月表 1°×1°分辨率的 U、Th、K 元素含量分布图对月表放射性元素分布特征进行分析。根据 U、Th、K 元素含量分布约束各种假说模型，分析了月球表面放射性元素富集的机理，并推断了 KREEP岩的一些可能的形成机制。给出了主要元素和放射性元素的元素丰度图及其地球化学解释。
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