基于LIBS图谱与聚类分析的车里雅宾斯克陨石矿物相识别及LL型普通球粒陨石分类研究

《Talanta》：Mineral phase discrimination of the Chelyabinsk meteorite by LIBS mapping/cluster analysis

本研究针对车里雅宾斯克陨石成分异质性分析难题，采用激光诱导击穿光谱(LIBS)与拉曼光谱联用技术，通过高分辨率微区LIBS图谱和K-means聚类分析实现了矿物相空间分布可视化，并结合校准自由LIBS(CF-LIBS)进行半定量分析，成功将陨石分类为LL型普通球粒陨石，为地外样品无损分析提供了创新方法学范式。

　　

2013年2月15日，一颗直径17-20米、重约11000吨的陨石以18.6公里/秒的速度闯入俄罗斯车里雅宾斯克上空大气层，释放相当于50万吨TNT当量的能量，成为有记录以来最强烈的天体大气爆炸事件。这场天文事件散落的陨石样本具有重要的科研价值，但传统分析技术如电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、X射线荧光(XRF)等通常需要复杂样品前处理，可能破坏珍贵地外样品的原始结构。如何在不损伤样本的前提下实现高分辨率成分分析，成为行星科学领域亟待突破的技术瓶颈。

发表于《Talanta》的研究论文《Mineral phase discrimination of the Chelyabinsk meteorite by LIBS mapping/cluster analysis》针对这一挑战，开创性地将激光诱导击穿光谱(LIBS)与拉曼光谱技术结合，对车里雅宾斯克陨石展开多维分析。由C. Burgos-Palop、L. García-Gómez等来自西班牙马拉加大学UMALASERLAB实验室的研究团队，通过微区LIBS扫描成像与无监督机器学习算法，成功揭示了该陨石在微米尺度的成分异质性，并首次应用校准自由LIBS(CF-LIBS)方法实现了陨石分类的精准判定。

本研究采用三大核心技术方法：采用532纳米Nd:YAG激光器的微区LIBS系统进行100微米分辨率扫描成像；结合拉曼光谱鉴定橄榄石(Fo₇₀Fa₃₀)、辉石等矿物相；运用K-means聚类算法对多元素图谱进行空间分割，并基于等离子体参数（温度8310K，电子密度1.32×10¹⁸ cm^-3）开展CF-LIBS定量分析。样本为0.405克车里雅宾斯克陨石轻色岩性区域，包含熔壳、金属包裹体和内部基质。

元素识别与铁归一化比值分析

通过对比陨石三个特征区域（熔壳、金属包裹体、内部基质）的LIBS光谱，研究发现内部基质中铝、钙、镁、硅等成岩元素相对于铁的强度比最高，而金属包裹体则呈现铁镍富集特征。统计分析证实各区域元素比值存在显著差异，揭示了陨石在微米尺度的成分异质性。

LIBS图谱与K-means聚类分析

高分辨率LIBS图谱成功可视化了钠+钙（斜长石）、铁+镁（橄榄石和辉石）、铬（铬铁矿）及铁+镍（金属相）的空间分布。通过K=6的聚类分析，将样品划分为背景、橄榄石/辉石、斜长石、铬铁矿和铁镍金属相五个矿物相，精准对应拉曼光谱鉴定结果。

车里雅宾斯克陨石的CF-LIBS分类

CF-LIBS定量分析显示内部基质成分为40.33% SiO₂、24.15% MgO、3.04% Al₂O₃和25.04% FeO，与LL型普通球粒陨石参考值高度一致。三元图(FeO-MgO-SiO₂)分析进一步确认其落入LL群区域，尽管铁含量略高符合该陨石特性。

研究结论表明，LIBS与拉曼光谱联用技术为地外样品无损分析提供了强大工具。该方法不仅实现了车里雅宾斯克陨石矿物相的高分辨率识别，更通过CF-LIBS技术完成了其LL型普通球粒陨石的精准分类。这种最小侵入式分析范式对行星科学与陨石学研究具有里程碑意义，特别适用于样本返回任务受限的深空探测场景，为未来原位行星物质分析奠定了方法学基础。