礦物識(shí)別譜系與識(shí)別規(guī)則

引言

事實(shí)上，礦物往往具有其特有、獨(dú)特的診斷性特征吸收譜帶，這些特征譜帶在不同的礦物中具有較穩(wěn)定的波長(zhǎng)位置和較穩(wěn)定的獨(dú)特波形，能夠指示離子類礦物、單礦物的存在。通過這些譜帶或其組合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)礦物的識(shí)別。

由此，本文通過對(duì)礦物光譜特征進(jìn)行分析和總結(jié)，建立基于特征譜帶的礦物識(shí)別譜系對(duì)礦物類或礦物進(jìn)行識(shí)別。該方法在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高光譜巖礦信息的智能識(shí)別。

礦物識(shí)別譜系與識(shí)別規(guī)則

由以上分析可知，陰離子診斷譜帶位于2~2.5μm光譜區(qū)域，一般為絡(luò)陰離子彎曲振動(dòng)的合頻或倍頻的吸收特征譜帶或疊加在OH基團(tuán)伸縮振動(dòng)光譜之上的復(fù)合譜帶；而Fe2+，F(xiàn)e3+和Mn2+診斷譜帶一般位于0.4~1.2μm光譜區(qū)域，為電子躍遷吸收特征譜帶。由此，將礦物識(shí)別光譜劃分為兩個(gè)區(qū)域，即小于1μm的光譜區(qū)和大于2μm的光譜區(qū)。在這兩個(gè)光譜區(qū)域中分別進(jìn)行不同光譜機(jī)制礦物離子化合物的識(shí)別。在大于2μm光譜區(qū)域提取含Al-OH和CO32-礦物類；在1μm光譜區(qū)提取含F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+和Mn2+的礦物類。例如，F(xiàn)e2+在1000nm附近的產(chǎn)生特征譜帶，CO32-在2300nm處的產(chǎn)生特征吸收，Al-OH在2200nm附近產(chǎn)生特征吸收等。利用陰陽離子特征譜帶或其譜帶組合大致可以對(duì)礦物進(jìn)行識(shí)別。例如，同時(shí)具有Fe2+在1000nm與CO32-在2300nm附近的特征譜帶，便大致確定為該礦物為菱鐵礦。由于類質(zhì)同象替代系列的存在以及離子光譜的敏感性而產(chǎn)生混淆，如Fe2+~Zn2+、Ca2+~Fe2+等陽離子的部分替代，可形成Fe[CO3]-Zn[CO3]、Ca[CO3]-Fe[CO3]等的不完全類質(zhì)同象系列。這樣，在對(duì)礦物的精確識(shí)別時(shí)，除了利用陰陽離子最主要的特征吸收外，還必須結(jié)合其次要特征吸收，以及利用整個(gè)譜帶與識(shí)別像元的譜帶進(jìn)行相關(guān)匹配來識(shí)別礦物。由此，在對(duì)礦物光譜特征作精細(xì)研究分析的基礎(chǔ)上，建立分層識(shí)別礦物譜系（SpectralIdentificationTree（SIT）），對(duì)礦物或礦物類別從大類到礦物逐層進(jìn)行識(shí)別（圖1）。

圖1 基于礦物識(shí)別譜系集成

（1）特征譜帶識(shí)別：主要用于對(duì)含離子大類礦物進(jìn)行識(shí)別：①含Al-OH礦物：診斷譜帶一般位于2165~2205nm附近；

②含CO32-礦物：診斷譜帶一般位于2335~2386nm區(qū)間；

③含F(xiàn)e2+礦物：診斷譜帶一般位于1000~1100nm附近；

④含F(xiàn)e3+礦物：診斷譜帶一般位于600~900nm附近；

⑤含Mn2+礦物：診斷譜帶一般位于450~600nm附近。

（2）譜帶組合識(shí)別規(guī)則：以主吸收譜帶和次要吸收譜帶的組合識(shí)別單礦物，并考慮到吸收譜帶在不同巖石中的漂移。這里以Al-OH鍵的礦物，如明礬石、蒙脫石和白云母為例，建立的組合光譜識(shí)別規(guī)則：

①明礬石：兩個(gè)特征吸收分別位于2175nm（2165~2175nm，±10nm）和2325nm；

②蒙脫石：位于2215nm（2205~2215nm，±10nm）的主要特征吸收伴隨有一個(gè)2440nm的次級(jí)吸收；

③白云母：位于2205nm（2195~2215nm，±20nm）的主要特征吸收伴隨有3個(gè)次級(jí)吸收峰，分別位于2355nm，2440nm和2115nm；

④高嶺石：位于2205nm（2185~2235nm，±20nm）的主要特征吸收伴隨有3個(gè)次級(jí)吸收峰，分別位于2165nm，2315nm，2386nm。

全譜帶光譜分解識(shí)別：為避免光譜變異和光譜混合效應(yīng)，以整個(gè)光譜曲線作參量，利用光譜分解模型進(jìn)行礦物精細(xì)識(shí)別。在識(shí)別過程中，首先根據(jù)離子特征譜帶進(jìn)行礦物類識(shí)別，然后采用掩膜技術(shù)消除其它非該類信息，再利用組合譜帶識(shí)別規(guī)則識(shí)別礦物，進(jìn)一步地利用全譜帶光譜特征進(jìn)行礦物種類精細(xì)識(shí)別。

由以上分析可知，陰離子診斷譜帶位于2~2.5μm光譜區(qū)域，一般為絡(luò)陰離子彎曲振動(dòng)的合頻或倍頻的吸收特征譜帶或疊加在OH基團(tuán)伸縮振動(dòng)光譜之上的復(fù)合譜帶；而Fe2+，F(xiàn)e3+和Mn2+診斷譜帶一般位于0.4~1.2μm光譜區(qū)域，為電子躍遷吸收特征譜帶。由此，將礦物識(shí)別光譜劃分為兩個(gè)區(qū)域，即小于1μm的光譜區(qū)和大于2μm的光譜區(qū)。在這兩個(gè)光譜區(qū)域中分別進(jìn)行不同光譜機(jī)制礦物離子化合物的識(shí)別。

礦物分層識(shí)別提取

（1）試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)概況：以1998年獲取的美國(guó)Cuprite地區(qū)的航空高光譜AVIRIS數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。該區(qū)主要出露巖層有寒武系沉積巖和變沉積巖、第三系火山巖和第四系沖積層。第三系火山巖熱液蝕變廣泛，在95號(hào)公路兩邊形成兩個(gè)南北向拉長(zhǎng)的蝕變區(qū)，明顯可分為硅化帶、蛋白石化帶和泥化帶，從中部向外呈同心圓狀分布。硅化區(qū)主要蝕變礦物為石英和少量的方解石、明礬石和高嶺石；蛋白石化帶分布廣泛，主要為明礬石、浸染狀蛋白石、方解石置換的蛋白石和高嶺石；泥化帶主要有高嶺石、蒙脫石和少量由火山玻璃生成的蛋白石。本區(qū)露頭出露良好，礦物組合多樣，從20世紀(jì)70年代起，就成為美國(guó)遙感地質(zhì)研究的重要試驗(yàn)基地，許多遙感地質(zhì)研究和礦物波譜研究項(xiàng)目都以該區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，如蝕變礦物波譜研究、多光譜巖性識(shí)別和蝕變礦物識(shí)別研究、蝕變和非蝕變礦物區(qū)分技術(shù)研究等。

（2）礦物識(shí)別：在Cuprite地區(qū)，利用前述所建立的礦物譜系識(shí)別規(guī)則對(duì)Al-OH，Mg-OH，CO32-，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+和Mn2+類礦物作識(shí)別試驗(yàn)，識(shí)別結(jié)果見圖2。

圖2 離子礦物類（灰白色）識(shí)別

圖中亮度值表示該類礦物分布的相對(duì)豐度。從這6類離子礦物類識(shí)別結(jié)果分析，該區(qū)中部以含Al-OH鍵的礦物為主，含Mg-OH鍵的礦物分布較少。結(jié)合CO32-與Fe2+的分布分析認(rèn)為，在該區(qū)西南部可能有菱鐵礦存在，在礦區(qū)中部偏東部存在高價(jià)鐵礦物，如黃鉀鐵釩、赤鐵礦等。進(jìn)一步利用掩圖1基于礦物識(shí)別譜系集成膜技術(shù)，在Al-OH離子類礦物區(qū)域中，進(jìn)一步根據(jù)組合譜帶識(shí)別規(guī)則識(shí)別明礬石、蒙脫石、白云母和高嶺石，結(jié)果如圖3。

圖3 礦物（灰白色）識(shí)別

在高嶺石分布區(qū)，進(jìn)一步利用全譜帶特征進(jìn)行光譜分解細(xì)分多水高嶺石、微晶高嶺石和伊利石（圖4）。

圖4 礦物（灰白色）精細(xì)識(shí)別

結(jié)論

將識(shí)別結(jié)果與Clark和Swayze的結(jié)果相比較，兩個(gè)近于一致。Clark和Swayze利用軟件，基于UNIX操作平臺(tái)，以大量的地物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，大氣輻射轉(zhuǎn)換模型和地面定標(biāo)目標(biāo)為基礎(chǔ)，采用波形匹配和全波段譜形的最小二乘擬合進(jìn)行礦物識(shí)別。其識(shí)別結(jié)果都是經(jīng)X-射線衍射分析等技術(shù)和野外檢查進(jìn)行了驗(yàn)證，準(zhǔn)確性較高，可作為地面實(shí)況對(duì)比分析的基礎(chǔ)。對(duì)比結(jié)果說明，本次所建立的有關(guān)礦物的譜系識(shí)別規(guī)則符合實(shí)際、簡(jiǎn)單易行，可以從大類到具體礦物，再到礦物類質(zhì)同像系列或同質(zhì)多像變體，高效地用于提取巖礦成因信息。礦物準(zhǔn)確識(shí)別的前提是高光譜數(shù)據(jù)的信噪比較高，輻射標(biāo)定與大氣校正準(zhǔn)確可靠，能再現(xiàn)地物光譜特征。隨著高光譜儀技術(shù)性能的改進(jìn)與提高，將改善高光譜物質(zhì)識(shí)別的精度，推動(dòng)高光譜物質(zhì)識(shí)別的智能化與定量化，并將在一定程度上實(shí)現(xiàn)利用宏觀的手段進(jìn)行微觀的探測(cè)。

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審核編輯 黃宇