2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——行星表面巖石和礦物成分研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每題3分，共15分）1.光譜反射率2.礦物蝕變3.火星床巖4.X射線熒光光譜（XRF）5.礦物風(fēng)化二、填空題（每題1分，共10分）1.地球表面最常見(jiàn)的兩種硅酸鹽礦物是________和________。2.火星表面廣泛存在的________礦物是判斷其過(guò)去存在液態(tài)水的重要證據(jù)之一。3.利用探測(cè)器接收行星表面發(fā)射或反射的電磁波來(lái)分析其成分的技術(shù)稱為_(kāi)_______。4.在行星科學(xué)中，通過(guò)分析巖石中同位素的比例來(lái)研究行星形成和演化的過(guò)程稱為_(kāi)_______。5.巖石的主要形成方式包括巖漿冷凝、變質(zhì)作用和________。6.能夠有效穿透火星大氣層并用于地表礦物探測(cè)的電磁波波段主要是________和________。7.指示礦物形成環(huán)境條件的礦物包裹體稱為_(kāi)_______。8.決定礦物物理性質(zhì)（如密度、硬度）的內(nèi)部原子排列方式稱為_(kāi)_______。9.通過(guò)對(duì)行星表面巖石和礦物的顏色、光澤等光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行遙感分析的技術(shù)稱為_(kāi)_______。10.宇航員在月球和火星表面直接采集巖石和土壤樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析的方法稱為_(kāi)_______。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述利用顏色信息區(qū)分行星表面不同巖石類型的原理。2.比較一下伽馬射線能譜儀（GR）和X射線熒光光譜儀（XRF）在行星表面礦物成分分析中的主要區(qū)別。3.解釋什么是“巖石磁化”，以及它如何為我們提供關(guān)于行星早期磁場(chǎng)和巖漿活動(dòng)歷史的信息。4.簡(jiǎn)述風(fēng)化作用對(duì)行星表面巖石礦物成分的改造過(guò)程及其地質(zhì)意義。5.列舉三種常用的行星表面巖石和礦物成分遙感探測(cè)方法，并簡(jiǎn)述其基本原理。四、論述題（每題12分，共36分）1.詳細(xì)論述光譜反射率曲線（Raman光譜和紅外光譜）在識(shí)別行星表面主要礦物類型方面的應(yīng)用。2.以火星為例，結(jié)合具體的探測(cè)任務(wù)和發(fā)現(xiàn)，論述研究其表面巖石和礦物成分對(duì)于理解其過(guò)去宜居環(huán)境演化的重要性。3.闡述現(xiàn)場(chǎng)采樣分析（巖樣和土壤樣）與遙感探測(cè)方法在行星表面巖石和礦物成分研究中的作用、優(yōu)勢(shì)和局限性，并討論如何結(jié)合兩者以獲得更全面的認(rèn)知。試卷答案一、名詞解釋1.光譜反射率：指物體表面反射的電磁輻射功率與其入射電磁輻射功率之比。在行星科學(xué)中，通過(guò)測(cè)量行星表面不同波長(zhǎng)下的反射率曲線，可以推斷其表面組成（如礦物類型、顏色、粗糙度等）。**解析思路：*此題考察基本概念。要求學(xué)生回憶光譜反射率的基本定義及其在行星科學(xué)研究中的應(yīng)用。定義要準(zhǔn)確，應(yīng)用要明白。2.礦物蝕變：指礦物在溫度、壓力、化學(xué)成分等外部環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，其化學(xué)成分和/或晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的過(guò)程。蝕變通常與熱液活動(dòng)、風(fēng)化作用、變質(zhì)作用等地質(zhì)過(guò)程相關(guān)，可以改變?cè)紟r石和礦物的特征，并可能形成新的礦物組合。**解析思路：*考察對(duì)礦物蝕變概念的理解。需要答出蝕變的定義，并提及引起蝕變的主要外部條件和相關(guān)地質(zhì)過(guò)程。3.火星床巖：指火星地表以下、被火山活動(dòng)、侵蝕作用或沉積物覆蓋的原生巖石。床巖記錄了火星地殼的形成、演化歷史以及早期地質(zhì)過(guò)程的線索。**解析思路：*考察行星地質(zhì)學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ)。要求學(xué)生理解“床巖”的定義及其在火星科學(xué)研究中的意義，即它是研究火星早期地質(zhì)歷史的主體。4.X射線熒光光譜（XRF）：一種基于X射線熒光分析原理的元素分析技術(shù)。當(dāng)用高能X射線照射樣品時(shí)，樣品中的原子被激發(fā)并發(fā)射出特定能量的X射線熒光，通過(guò)探測(cè)這些熒光強(qiáng)度可以確定樣品中元素的含量。**解析思路：*考察常用分析技術(shù)的原理。需要答出XRF的基本工作原理（激發(fā)與熒光），并指出其主要用于元素分析。5.礦物風(fēng)化：指地表或近地表的巖石和礦物在物理、化學(xué)和生物作用下發(fā)生破碎、分解和化學(xué)成分改變的過(guò)程。風(fēng)化是塑造地表形態(tài)、形成土壤、影響元素循環(huán)和記錄氣候環(huán)境變化的重要因素。**解析思路：*考察對(duì)風(fēng)化概念的理解。定義要全面，包含物理、化學(xué)、生物作用及后果。需要點(diǎn)出其地質(zhì)和地理意義。二、填空題1.輝石；角閃石**解析思路：*考察基礎(chǔ)礦物學(xué)知識(shí)。這是地球科學(xué)和行星科學(xué)中的常識(shí)，要求記住地殼中最主要的兩種單斜輝石族和角閃石族礦物的名稱。2.氧化鐵礦物（如赤鐵礦、褐鐵礦）**解析思路：*考察火星科學(xué)中的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)?；鹦潜砻娴募t色主要來(lái)源于廣泛分布的氧化鐵礦物，這是研究火星古環(huán)境的重要線索。3.遙感探測(cè)**解析思路：*考察基本概念。利用電磁波探測(cè)和分析遠(yuǎn)處物體性質(zhì)的技術(shù)統(tǒng)稱為遙感。4.同位素示蹤**解析思路：*考察地質(zhì)學(xué)研究方法。利用同位素比率研究行星形成和演化是行星科學(xué)和地球化學(xué)的重要手段。5.沉積作用**解析思路：*考察巖石學(xué)基本概念。巖石形成的三大方式是巖漿作用、變質(zhì)作用和沉積作用。6.紅外線；可見(jiàn)光**解析思路：*考察行星探測(cè)中的電磁波譜知識(shí)?？紤]到火星大氣成分（如CO2）對(duì)可見(jiàn)光和部分紫外線的吸收，紅外線和可見(jiàn)光（尤其是近紅外）是常用的穿透大氣進(jìn)行地表探測(cè)的波段。7.同位素分離礦物**解析思路：*考察礦物學(xué)中的專門(mén)概念。能夠指示礦物形成時(shí)或形成后環(huán)境條件的、富含某種同位素的礦物或包裹體。8.晶格結(jié)構(gòu)**解析思路：*考察礦物學(xué)基本原理。礦物的物理性質(zhì)（密度、硬度、解理、光澤等）主要取決于其內(nèi)部原子的排列方式，即晶格結(jié)構(gòu)。9.多光譜成像**解析思路：*考察遙感技術(shù)術(shù)語(yǔ)。通過(guò)分析不同波段（特別是可見(jiàn)光和近紅外波段）的圖像來(lái)區(qū)分地表物體（如不同礦物）的顏色和光譜特征的技術(shù)。10.現(xiàn)場(chǎng)采樣分析**解析思路：*考察行星探測(cè)方法分類。與遙感探測(cè)相對(duì)應(yīng)，直接獲取樣品并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析的方法是現(xiàn)場(chǎng)采樣分析。三、簡(jiǎn)答題1.利用顏色信息區(qū)分行星表面不同巖石類型的原理主要是基于不同礦物對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光的吸收和反射特性不同。每種礦物都有其獨(dú)特的光學(xué)譜特征，導(dǎo)致其在不同光照條件下呈現(xiàn)特定的顏色。例如，富含鐵的氧化物礦物（如赤鐵礦）通常呈紅色或棕色，而富含鎂和鐵的硅酸鹽礦物（如輝石、角閃石）則可能呈暗綠色或黑色。通過(guò)遙感探測(cè)器獲取行星表面的多光譜或高光譜圖像，比較不同地物在各個(gè)光譜波段（尤其與礦物吸收特征相關(guān)的波段）的反射率差異，可以反演出其可能包含的礦物成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石類型的區(qū)分。顏色是礦物成分的直觀反映，結(jié)合光譜分析可以更準(zhǔn)確地識(shí)別巖石類型。**解析思路：*要求闡述顏色與礦物光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，說(shuō)明如何通過(guò)光譜測(cè)量顏色差異，并點(diǎn)出其在巖石類型識(shí)別中的應(yīng)用。邏輯要清晰，原理要準(zhǔn)確。2.伽馬射線能譜儀（GR）主要測(cè)量原子核衰變產(chǎn)生的伽馬射線能量譜，通過(guò)分析特定能量峰（如鉀K峰、鈾U峰、釷Th峰）的強(qiáng)度，可以定量測(cè)定巖石和土壤中鉀、鈾、釷等放射性元素的含量。這可以間接推斷礦物組成（如鉀含量與長(zhǎng)石、云母有關(guān)），并有助于識(shí)別火山巖、評(píng)估巖石成熟度等。其探測(cè)的是放射性元素衰變產(chǎn)生的能量，對(duì)原子序數(shù)較重的元素更敏感。而X射線熒光光譜儀（XRF）則是通過(guò)測(cè)量樣品受X射線激發(fā)后發(fā)射出的二次X射線熒光的能量和強(qiáng)度，來(lái)定量分析樣品中幾乎所有元素（從輕元素Li到重元素U）的含量。XRF可以直接測(cè)定構(gòu)成巖石的絕大多數(shù)元素，提供更全面的化學(xué)組成信息，并能識(shí)別具體的礦物相。GR主要用于輕元素（K,U,Th）和部分中重元素（如Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Zn,As,Se,Br,Rb,Sr,Y,La,Ce,Nd,Eu,Sm,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Hf,Ta,W,Re,Os,Ir,Pt）的相對(duì)含量，而XRF的范圍更廣，尤其對(duì)主量元素和微量元素的探測(cè)能力更強(qiáng)。兩者在探測(cè)原理、元素范圍、探測(cè)深度和具體應(yīng)用側(cè)重上存在明顯區(qū)別。**解析思路：*要求對(duì)比兩種技術(shù)的原理、探測(cè)元素范圍、優(yōu)缺點(diǎn)和主要應(yīng)用。需要分點(diǎn)清晰，對(duì)比準(zhǔn)確。3.巖石磁化是指巖石中包含磁性礦物（如磁鐵礦Fe3O4、磁赤鐵礦Fe2O3）的原子磁矩在受到外部磁場(chǎng)作用或自身礦物生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生定向排列而形成的剩磁。巖石磁化可以記錄形成時(shí)的地磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度信息。通過(guò)測(cè)量巖石的磁化強(qiáng)度和方向，科學(xué)家可以重建古代地磁場(chǎng)的狀況，進(jìn)而推斷行星（如地球、火星、月球）內(nèi)部是否存在液態(tài)鐵核、地幔的對(duì)流狀態(tài)以及地殼和地幔的冷卻歷史。例如，地球古老巖石中記錄的穩(wěn)定極性條帶是板塊構(gòu)造和大陸漂移的重要證據(jù)?；鹦请m然現(xiàn)在沒(méi)有全球性磁場(chǎng)，但其在遠(yuǎn)古時(shí)期可能存在磁場(chǎng)，部分火星巖石可能保存了這種古磁記錄，研究這些記錄有助于理解火星的早期地質(zhì)演化和磁場(chǎng)消失的原因。**解析思路：*要求解釋巖石磁化的概念（涉及磁性礦物和磁矩排列），說(shuō)明其記錄信息的內(nèi)容（地磁場(chǎng)），并闡述其在行星早期地質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究中的重要性。4.風(fēng)化作用對(duì)行星表面巖石礦物的改造過(guò)程主要包括物理風(fēng)化（如溫差引起的破裂、凍融作用、撞擊碎裂）和化學(xué)風(fēng)化（如水、酸、氧化劑與礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致礦物成分改變、溶解、形成新礦物）以及生物風(fēng)化（如微生物活動(dòng)對(duì)礦物的分解和改造）。物理風(fēng)化主要破壞巖石的完整性，使其碎裂成較小的顆粒，但不改變礦物成分?；瘜W(xué)風(fēng)化則更深入地改變礦物本身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，例如，長(zhǎng)石類礦物在水和氧的作用下會(huì)蝕變形成粘土礦物（如高嶺石、伊利石）；碳酸鈣礦物在水和二氧化碳作用下會(huì)溶解形成碳酸氫鈣（風(fēng)化成土）。風(fēng)化作用不僅改變了地表巖石礦物的原始面貌，形成了土壤，還改變了行星表面的元素組成和分布，影響了地表化學(xué)環(huán)境。研究風(fēng)化產(chǎn)物的類型和分布可以反推行星的氣候條件、水的存在與否以及地質(zhì)作用的活躍程度。**解析思路：*要求分述風(fēng)化作用的類型（物理、化學(xué)、生物），簡(jiǎn)述每種類型的主要過(guò)程和效果，并點(diǎn)出其對(duì)行星表面巖石礦物、元素循環(huán)、土壤形成以及環(huán)境指示的意義。5.常用的行星表面巖石和礦物成分遙感探測(cè)方法包括：①紅外光譜（IR）探測(cè)：利用礦物在紅外波段的特征吸收峰來(lái)識(shí)別礦物成分，尤其適用于區(qū)分硅酸鹽、碳酸鹽、硫化物等。②紫外/可見(jiàn)光/近紅外（UV/VNIR）多光譜/高光譜成像：通過(guò)分析物體在不同窄波段的光譜反射率差異來(lái)推斷其顏色、礦物組合和精細(xì)結(jié)構(gòu)。③電磁輻射計(jì)（Radiometer）：測(cè)量地表發(fā)射或反射的總能量（通常在微波或熱紅外波段），主要用于探測(cè)地表溫度、水分含量等宏觀性質(zhì)，間接反映巖石類型。④中子探測(cè)器：主要用于探測(cè)地表氫含量（如水冰），間接提供信息。⑤伽馬射線能譜儀（GR）：如前所述，用于探測(cè)放射性元素（K,U,Th），間接推斷礦物組成和巖石類型。這些方法各有側(cè)重，常組合使用，以獲取更全面的行星表面成分信息。其基本原理主要是利用不同物質(zhì)對(duì)電磁波的選擇性吸收、散射或發(fā)射特性，通過(guò)探測(cè)和分析這些電磁信號(hào)來(lái)反演物質(zhì)成分和性質(zhì)。**解析思路：*要求列舉至少三種常用方法，并簡(jiǎn)要說(shuō)明每種方法的基本原理和應(yīng)用對(duì)象?？梢赃m當(dāng)擴(kuò)展到其他相關(guān)方法。四、論述題1.光譜反射率曲線（特別是拉曼光譜和紅外光譜）在識(shí)別行星表面主要礦物類型方面具有重要應(yīng)用，其原理基于不同礦物具有獨(dú)特的原子振動(dòng)模式，這些模式對(duì)應(yīng)著特定波長(zhǎng)的紅外光或拉曼光的吸收或散射。通過(guò)分析行星表面地物在不同光譜波段的反射率（或拉曼散射強(qiáng)度）曲線特征，可以識(shí)別其包含的礦物成分。例如，硅酸鹽礦物（長(zhǎng)石、輝石、角閃石）在近紅外區(qū)（約1-3微米）有由Si-O鍵伸縮振動(dòng)引起的特征吸收帶，不同類型的硅酸鹽其吸收帶的位置和強(qiáng)度（形狀）有差異。碳酸鹽礦物（如方解石、白云石）在紅外區(qū)（約2.9-4微米）有由CO3^2-不對(duì)稱伸縮振動(dòng)引起的強(qiáng)吸收帶。氧化物礦物（如赤鐵礦、磁鐵礦）在紅外和拉曼光譜中也有特征吸收/散射峰（如Fe-O振動(dòng)）。硫化物（如黃鐵礦、磁黃鐵礦）在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)有特征吸收。通過(guò)測(cè)量并比對(duì)光譜曲線與已知礦物標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)的匹配程度，可以識(shí)別出地表主要包含的礦物類型及其大致豐度。這種光譜分析技術(shù)是行星遙感中識(shí)別地表地質(zhì)構(gòu)成和礦物分布的核心手段之一，對(duì)于理解行星地質(zhì)歷史、宜居性演化以及資源勘探都具有關(guān)鍵價(jià)值。高光譜遙感技術(shù)能夠獲取更精細(xì)的光譜曲線，從而實(shí)現(xiàn)更高精度的礦物識(shí)別。**解析思路：*首先闡述光譜反射率曲線（特別是IR/Raman）識(shí)別礦物的基本原理（振動(dòng)模式與光譜特征對(duì)應(yīng)）。然后舉例說(shuō)明不同礦物類別（硅酸鹽、碳酸鹽、氧化物、硫化物）在光譜上的典型特征。接著說(shuō)明通過(guò)譜圖比對(duì)進(jìn)行識(shí)別的方法。最后總結(jié)其在行星科學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值。2.研究火星表面巖石和礦物成分對(duì)于理解其過(guò)去宜居環(huán)境演化至關(guān)重要?；鹦潜砻娴膸r石和礦物是火星形成、演化和改造歷史的直接記錄者。通過(guò)分析不同地區(qū)巖石的類型、礦物組合、化學(xué)成分和同位素比值，科學(xué)家可以重建火星的早期地質(zhì)環(huán)境。例如，富含水的硫酸鹽礦物（如赤鐵礦、石膏）和碳酸鹽礦物的發(fā)現(xiàn)，表明火星表面在遙遠(yuǎn)的過(guò)去曾經(jīng)存在大量液態(tài)水，并且經(jīng)歷了復(fù)雜的化學(xué)環(huán)境變化（氧化、還原、蒸發(fā)濃縮等）。粘土礦物的存在進(jìn)一步證實(shí)了長(zhǎng)期的水活動(dòng)。通過(guò)分析巖石中的有機(jī)物痕跡或生物標(biāo)志礦物（盡管直接找到生命證據(jù)非常困難），可以探索火星過(guò)去是否具備生命存在的條件。巖石中的氧化還原條件記錄（如礦物中鐵的價(jià)態(tài)、硫化物是否存在）反映了火星大氣成分和全球氣候狀態(tài)的變化。火山巖的分析揭示了火星地殼和地幔的活動(dòng)歷史，以及可能的板塊構(gòu)造活動(dòng)。不同地表單元（如古老的水手谷峽谷、年輕的水手谷火山平原、極地冰蓋下的基巖）巖石礦物成分的差異，反映了火星不同區(qū)域的氣候和地質(zhì)演化路徑。綜合運(yùn)用遙感探測(cè)（如NASA的CRISM、MRO）和現(xiàn)場(chǎng)采樣分析（如好奇號(hào)、毅力號(hào)火星車(chē)鉆取的巖芯樣品及其化學(xué)成分、X射線熒光光譜等分析數(shù)據(jù)），能夠構(gòu)建出火星地質(zhì)歷史和宜居環(huán)境演化的詳細(xì)圖景，為尋找火星過(guò)去或現(xiàn)在生命跡象提供關(guān)鍵線索。**解析思路：*從巖石礦物作為記錄的角度出發(fā)，闡述其在重建火星早期地質(zhì)、氣候、水文環(huán)境中的重要作用。結(jié)合具體的礦物類型（水標(biāo)志礦物、粘土、有機(jī)物痕跡等）及其指示意義進(jìn)行論述。強(qiáng)調(diào)不同區(qū)域、不同類型巖石礦物所反映的差異化歷史。最后指出遙感與現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)相結(jié)合對(duì)于全面理解的重要性。3.現(xiàn)場(chǎng)采樣分析（巖樣和土壤樣）與遙感探測(cè)方法在行星表面巖石和礦物成分研究中扮演著互補(bǔ)且相輔相成的重要角色，各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)、局限性和適用場(chǎng)景。遙感探測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速、大面積地獲取行星表面成分信息，無(wú)需著陸或接觸表面即可覆蓋廣闊區(qū)域，成本相對(duì)較低。它可以迅速圈定礦物分布區(qū)、識(shí)別大型地質(zhì)特征、監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)變化（如極地冰蓋變化）。例如，CRISM衛(wèi)星通過(guò)紅外光譜探測(cè)發(fā)現(xiàn)了全球范圍的粘土礦物分布，揭示了火星過(guò)去廣泛的水活動(dòng)歷史。其局限性在于空間分辨率有限（通常在幾米到幾十米），探測(cè)深度淺（受表層物質(zhì)影響大），對(duì)于成分復(fù)雜的區(qū)域可能存在混合像元問(wèn)題，且無(wú)法直接測(cè)定元素含量和礦物精