發布時間：2019-12-25所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：利用遙感數據提取蝕變礦物的基礎就是熟知不同巖石和礦物的光譜吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化學環境下巖石和礦物的光譜變異特征。北山方山口地區地質演化歷史復雜，蝕變巖石類型多樣。那么不同巖石和礦物的光譜吸收特征有何特點，跟遙感影像上對
摘要：利用遙感數據提取蝕變礦物的基礎就是熟知不同巖石和礦物的光譜吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化學環境下巖石和礦物的光譜變異特征。北山方山口地區地質演化歷史復雜，蝕變巖石類型多樣。那么不同巖石和礦物的光譜吸收特征有何特點，跟遙感影像上對應端元的光譜曲線是否吻合呢?另外，何種采集條件下獲取的地面巖礦光譜最具代表性呢?就上述問題，筆者對方山口試驗區內典型巖礦的光譜特征展開研究。實驗結果表明：原位露頭巖石樣品和原地碎石樣品與巖石標樣在光譜曲線特征上最為接近，樣品表層的沙漠漆對特征峰的吸收深度有一定影響。而巖礦的可見光-近紅外光譜主要取決于礦物的成分和分子結構，巖石的物理破壞作用不會導致特征譜帶的變化。各蝕變巖石影像端元光譜曲線與其實測光譜曲線所反映的曲線形態和吸收峰位置基本一致，但不同蝕變巖石的光譜曲線相似性很高，因此僅利用遙感影像難以準確識別出蝕變巖石的類別，但利用遙感圖像提取含Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-離子或離子基團的蝕變礦物具有較好的可行性。這對遙感蝕變礦物信息的提取起到了理論指導作用。
關鍵詞：蝕變巖礦;光譜特征;光譜相似性;ASD;ASTER;CASI-SASI
1引言
利用遙感數據提取蝕變礦物的基礎就是熟知不同巖石和礦物的光譜吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化學環境下巖石和礦物的光譜變異特征。自20世紀70年代開始，以HUNT和SALISBURY為代表的國外學者對地球上各大巖石和礦物的光譜特征進行了研究，發現在可見光-近紅外光譜區(0.325～2.5μm)，巖石的吸收光譜是由雜質、包體、蝕變礦物及替代成分產生的，其中造巖礦物中Si、A1、Mg、O等主要化學成分并不產生具有診斷意義的反射譜帶，但次要礦物中所含的Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-等離子或分子基團在電子躍遷和分子振動作用下會在反射譜帶中形成特征吸收峰(HUNTGR，1977;HUNTGRetal.，1978;SALISBURYJWetal.，1989;SALISBURYJWetal.，1989)。
例如，學者已發現鐵離子在0.9μm處具有吸收特征(ROBERTBS，1981);絹云母和伊利石礦物中Al-OH的吸收峰位置與其Al2O3含量呈線性關系(JAMESLPetal.，1993);白云母中Al-OH吸收峰在2217nm處，而黑云母中該峰位則轉移到2199nm處(DUKEEFetal.，2010)。中國學者通過對蒙脫石、明礬石、白云母、高嶺土、綠泥石等蝕變礦物在可見光-近紅外區間的光譜形態與譜位特征進行量化研究，發現二價鐵在1.0μm附近吸收譜帶強而寬，在0.43μm、0.45μm、0.51μm和0.55μm處亦產生吸收特征;三價鐵在0.70μm附近吸收譜帶最強(燕守勛等，2003);含Al-OH基團的明礬石、絹云母、伊利石等礦物在2.165μm、2.325μm和2.355μm處具有較強吸收峰(韓劍，2008);含Mg-OH基團的綠泥石、綠簾石、蛇紋石等則在2.125μm、2.315μm和2.365μm處具有強吸收(劉漢湖，2008);含CO32-離子的方解石、白云石等礦物在1.6～2.5μm區間出現5個特征吸收譜帶(蔣立軍，2011)。
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由上可見，利用巖石和礦物的可見光-近紅外光譜分析能夠有效查明蝕變礦物的吸收特征，而這些特征規律是遙感圖像識別蝕變礦物的物理基礎，因此十分有必要繼續開展巖礦光譜特征的深入分析。筆者所在的研究團隊近年利用ASD對從北山地區采集的不同蝕變巖石標本進行光譜測量時發現，不同巖性的樣品中綠泥石、絹云母、碳酸鹽等礦物的特征譜帶吸收位置存在微小位移和差異，如研究成員已通過分析綠泥石樣品的氧化物成分與譜帶位置關系，發現2250nm附近的吸收譜帶隨著FeO+Fe2O3含量的增加而向長波方向偏移(YANGMinetal.，2014)。因此，進一步查明這些蝕變礦物吸收譜帶的特征，并分析巖礦實測光譜和影像端元光譜之間相似性及匹配度關系，可以為蝕變礦物的遙感識別和提取提供光譜依據。
甘肅北山方山口地區自20世紀80年代以來相繼發現了方山口、明金溝、新老金廠、拾金坡、花牛山等多個金、銀、銅、鉛鋅的礦床(點)，使該區域呈現出金礦床(點)數量多、成礦類型多樣、礦化蝕變特征明顯的特點。但該區域地質演化歷史復雜，地層從太古宇到中生界出露較全，巖性多樣，巖漿活動強烈，蝕變類型有硅化、黃鐵礦化(褐鐵礦化)、絹云母化、鐵碳酸鹽巖化和青磐巖化等(李文淵等，2006;田爭亮等，2001)。那么，這種復雜背景下，不同巖石和礦物的光譜吸收特征有何特點呢?跟遙感影像上對應端元的光譜曲線是否吻合呢?另外，何種采集條件下獲取的地面巖礦光譜最具代表性呢?就上述問題，筆者對該試驗區內典型巖礦的光譜特征展開研究。首先，利用美國ASD便攜式近紅外光譜儀，對區內分布的不同巖石和礦物進行光譜曲線測量，并對光譜采集數據進行分析評價;其次，對研究區分布的典型巖礦樣品開展光譜特征分析，包括實測光譜特征分析、遙感影像(ASTER和CASI-SASI)光譜特征分析以及兩者的相似性分析。
2地面巖礦光譜數據測量與預處理
本次實驗采用的光譜測量儀是美國ASD公司生產的的FieldSpec光譜儀，該儀器擁有光譜范圍寬、光譜分辨率高、光譜采樣間隔小等優點，其主要技術指標見表1。光譜測量時為了保證數據精確有效，需要對校正白板、探頭觀測姿態、觀測次數、測量對象規格、光照情況等方面進行嚴格限制，如測量時要求校正白板表面均勻潔凈，探頭垂直向下，同一樣品光譜數據測量曲線不少于10條，樣品規格一般為9cm×6cm×3cm的巖礦撿塊樣。為方便后續處理，測量的光譜數據均采用ENVI軟件支持的Lib格式存儲。
地面光譜測量布線時，將主要沿有通行條件且橫切各地質體的方向布設，其中光譜測量點為路線兩側的地質體，尤其是與成礦相關的圍巖和蝕變帶，采集樣品并測量其光譜曲線，同時對采樣位置、樣品巖性與蝕變現象、樣品采集環境做詳細記錄和拍照。對于試驗區內的典型礦床，則要以設置剖面的形式進行系統采樣和光譜測量，采集時剖面布置要垂直于礦體的走向，且剖面要貫穿礦體、圍巖和蝕變礦物，沿剖面線詳細采集不同地質體的光譜曲線;若礦床區域有探槽揭露的礦體，還需要對探槽內的礦體進行光譜測量，用以分析地面蝕變礦物與下伏礦體之間的對應關系。
測量好的地面光譜數據在分析前需要進行數據預處理和混合光譜解算。預處理可通過光譜儀自帶ViewSpecPro軟件完成，主要包括目標數據選取、反射率轉換、噪聲去除。其中，目標數據選取指將每個樣品的多條測量曲線進行平均，降低數據隨機誤差，得到樣品平均光譜曲線;反射率轉換指利用參考白板的輻照度定標參數，將光譜儀實測的目標地物的輻照度數據轉換為光譜反射率;噪聲去除指采用多項式圓滑，拋物線修正等方法，對反射率曲線進行光滑修正處理，消除系統誤差、隨機誤差和光照誤差。
混合光譜解算的目的是判定樣品所含的蝕變礦物類型。光譜儀采集的巖石光譜曲線通常是多種礦物光譜曲線綜合的結果，因此需要進行混合光譜解算。筆者利用SpecMinProVersion3.1軟件對樣品的光譜進行解算，該軟件可以通過對比噴氣實驗室(JPL)地物標準光譜庫輔助判斷樣品中所含的蝕變礦物。
3不同條件下獲取的地面巖礦光譜特征對比
研究區內雖然地表碎石大多殘留原地，但地表風化嚴重，巖石表層存在不同程度的覆蓋物，巖石樣品也存在塊狀與粉末狀，部分樣品還被沙漠漆包裹，那么這些因素對巖石中特征離子或分子基團的譜帶吸收規律是否有干擾呢?如何才能使采集的地面巖礦光譜最具代表性呢?為了解決上述問題，筆者對不同條件下獲取的地面巖礦樣品進行了光譜特征對比研究。
(1)不同出露條件下同類巖石樣品的光譜特征。遙感蝕變礦物提取中面對的一個難點就是地表覆蓋物的干擾。那么，在地面巖礦光譜測量時，由地表風化或者河流與風力搬運沉積帶來的表層覆蓋物對巖石和礦物的光譜會產生何種影響?就此問題，本實驗以采集的5種不同覆蓋環境下的綠泥石化凝灰質火山熔巖為樣本，利用ASD對各樣品進行光譜測量，對比分析不同出露環境下相同巖石的光譜特征。這5種樣品分別為：取塊巖石標本樣品、原位露頭巖石樣品、原地碎石樣品、薄土覆蓋巖石樣品(樣品表層土層厚度約1～2mm)和浮土覆蓋巖石樣品(樣品表層土層厚度超過3mm)。
圖1展示了各樣品的光譜曲線，可以發現光譜反射率自浮土覆蓋樣→薄土覆蓋樣→原位露頭樣→標本樣→碎石樣依次降低。其中浮土覆蓋樣品反射率與其他幾種有明顯的區別，且羥基吸收峰不明顯;薄土覆蓋的巖石樣品出現很弱的鋁羥基(2.170～2.210μm)和鎂羥基吸收峰(2.300～2.400μm);原巖露頭樣的光譜曲線和標樣的光譜曲線在吸收位置和吸收深度上基本一致，鋁羥基(2.170～2.210μm，2.250～2.260μm)和鎂羥基(2.340～2.350μm)吸收峰表現均明顯，反映出清晰的綠簾石蝕變特征和綠泥石雙峰蝕變特征;碎石樣品的反射率最低，但鋁羥基、鎂羥基吸收峰表現要好于薄土覆蓋樣，綠簾石和綠泥石蝕變的吸收位置較易識別，吸收深度也與標本樣品的光譜曲線接近。另外，受測量過程中大氣水汽的干擾，樣品光譜曲線在1.400μm和1.900μm附近出現劇烈跳躍現象。
由上可見，原位露頭巖石樣品和原地碎石樣品的光譜吸收峰位置與吸收深度與取塊巖石標本樣品的光譜特征最為接近，較易于識別所含的蝕變礦物;薄土覆蓋巖石樣品在一定程度上也能反應出蝕變礦物的光譜特征，但吸收峰表現較弱;而浮土覆蓋巖石樣品基本不能反映標本樣品的光譜特征。因此，面對研究區這種巖石風化作用強和巖石露頭易被風沙覆蓋的情況，樣品采集與光譜測量時需要選擇能有效反映蝕變礦物特征的的巖石樣品開展工作。
(2)同一樣品在塊狀與粉末狀形態下的光譜特征。同一礦物在不同出露條件下的樣品光譜存在較大差異，那么同一巖石樣品在塊狀與粉末狀形態下的光譜又有何不同呢?筆者通過巖石破碎作用改變了多個巖石樣品的粒徑大小，但未改變礦物成分，然后對比不同破碎狀態下相同樣品的光譜曲線，發現塊狀巖石和粉末狀巖石樣品的吸收峰分布特征基本一致(圖2)，僅在反射率上略有差別，即粉末樣的整體反射率要高于塊狀樣。這個測試結果表明，巖礦的可見光-近紅外光譜主要取決于礦物的成分和分子結構，巖石的物理破壞作用不會導致特征譜帶的變化。因此，研究區干旱環境下存在的殘積原巖碎屑的光譜特征可以代表其下伏原巖的光譜特征。
(3)同一樣品新鮮面與沙漠漆面的光譜特征。北山地區地表處露的巖石多發育沙漠漆。所謂沙漠漆，就是戈壁基巖裸露的荒漠區，由于地下水上升，蒸發后常在巖石表面沉淀了一層紅棕色氧化鐵和黑色氧化錳薄膜，像涂抹了一層油漆，故名沙漠漆，在次生氧化作用下多變成紅色。
為了探究沙漠漆對巖石光譜特征的影響，筆者采集了被沙漠漆包裹的石英和次火山巖樣品，測量其新鮮面和沙漠漆面的光譜曲線，對比結果(圖3)顯示新鮮面的光譜反射率比沙漠漆面的反射率整體要高，沙漠漆面的光譜曲線在0.400～0.600μm譜段內表現出鐵離子吸收峰，但在其他譜段內兩者的光譜吸收峰位置與深度基本一致。這個結果表明盡管采集樣品表明被沙漠漆包裹，但樣品還是保留了大部分原巖的光譜特征。.
(4)礦體和圍巖區域相同蝕變巖石的光譜特征。試驗區存在多個典型的金礦床，那么同一礦床區域內，礦體蝕變圍巖和礦體外圍相同蝕變巖體的光譜特征是否一致呢?本研究從新井金礦床與明水河金礦床分別采集了各自礦體圍巖區的蝕變閃長巖和礦體外圍區域的蝕變閃長巖，對比其光譜曲線特征。
新井金礦床外圍蝕變閃長巖(BSY-010)巖性為灰黑色中-粗粒石英閃長巖，沿巖體節理，裂隙發育鉀長石化、綠泥石化和黏土化，地表可見有方解石細脈。其光譜測量結果(圖4)顯示該樣品在2.200μm附近有Al-OH吸收峰，深度淺、峰形小;2.250μm處存在一個不明顯的Fe-OH吸收峰;2.310～2.360μm附近為Mg-OH吸收峰，深度不大，峰形較差。根據礦物的吸收特征可以判斷，2.200μm附近的Al-OH吸收峰表現巖體發育黏土化或絹云母化，2.250μm和2.310～2.360μm兩個吸收峰表現巖體發育綠泥石化，經Specmin軟件進行光譜解混計算得出其蝕變礦物主要有綠泥石、伊利石、高嶺土等。新井金礦的礦體北側圍巖為鉀化和綠簾石化的石英閃長巖(BSY-011-2)，光譜結果顯示0.8～1.2μm處存在Fe2+離子吸收峰，2.250μm附近有微弱的Fe-OH吸收峰，2.360μm附近的吸收峰深度較大，峰形左寬右窄，可能與綠泥石、方解石的混合有關，經Specmin軟件計算得出其蝕變礦物主要有綠泥石、黝簾石和方解石。相比而言，礦體圍巖區的蝕變閃長巖光譜曲線比較光滑，而外圍蝕變閃長巖數據曲線比較粗糙;圍巖蝕變區的樣品表現為更強烈的褐鐵礦化蝕變。
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