遼寧興城地區(qū)巖石光譜測試及特征分析

陳圣波，張 瑩，郭鵬舉，趙 瑩，謝明輝

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026

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遼寧興城地區(qū)巖石光譜測試及特征分析

陳圣波，張 瑩，郭鵬舉，趙 瑩，謝明輝

吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,長春 130026

在遼寧興城野外實習(xí)基地采用ASD光譜儀完成不同巖石樣品光譜測試的基礎(chǔ)上，分析了不同類型、不同地質(zhì)時代的巖漿巖和沉積巖，及其風(fēng)化面和新鮮面的光譜曲線特征。興城野外不同巖漿巖與沉積巖光譜曲線形態(tài)相似，新鮮面和風(fēng)化面的特征光譜吸收位置相差不大，但新鮮面的反射率普遍高于風(fēng)化面的反射率；巖漿巖和沉積巖樣品一般在波長為900 nm左右存在鐵離子吸收谷；除了在1 400 nm和1 900 nm處有水汽吸收帶外，巖漿巖和沉積巖樣品在2 200 nm左右還存在強(qiáng)吸收谷，而灰?guī)r在2 300 nm左右有比較高的吸收谷，這也是利用實測光譜進(jìn)行巖性分類的理論基礎(chǔ)。但是，不同地質(zhì)年代下的巖石光譜曲線變化并無規(guī)律，更多地與巖石結(jié)構(gòu)、成分和環(huán)境因素等相關(guān)。這樣，巖石光譜測試及其特征分析可滿足研究區(qū)巖性識別、礦化蝕變信息提取的需要。

遼寧興城地區(qū)；巖石；光譜測試 ；光譜特征

0 引言

隨著遙感光譜分辨率、空間分辨率和時間分辨率的提高，遙感信息提取的精度也不斷提高[1]。光譜特征是遙感圖像在不同譜段所吸收的地物反射電磁波能量大小的表現(xiàn)，是組成地物成分和結(jié)構(gòu)等屬性的最直接反映，是影像地物區(qū)分的依據(jù)[2]。因此，地物光譜特征是應(yīng)用遙感技術(shù)開展資源勘查的基礎(chǔ)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了很多巖石光譜測試及其特征分析的研究。Hunt等[3]系統(tǒng)研究了地球上典型巖石礦物的光譜特征；Clark 等[4-6]通過對巖礦光譜的定量分析，開發(fā)了相應(yīng)的巖礦信息提取軟件；美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)在實驗室條件下測試并發(fā)布了100多種礦物的反射光譜數(shù)據(jù)庫[7]。在我國騰沖航空遙感試驗中，測試了600多組地物光譜特征[8]。傅碧宏[9-10]、丑曉偉等[11-12]、二芳宮樹等[13]研究了沉積巖的巖石光譜曲線特征；甘甫平等[14-15]、閆柏琨等[16-17]研究認(rèn)為巖石光譜反射率的大小會受到視場角和觀測幾何的影響，但是光譜曲線的整體形態(tài)和吸收特征基本保持不變；吳德文等[18]、王欽軍等[19]、耿新霞等[20]基于不用的遙感數(shù)據(jù)利用巖石的光譜曲線特征提取了蝕變信息與巖性信息，效果均比較理想。

巖石光譜特征是其成分與結(jié)構(gòu)的反映。成分、結(jié)構(gòu)不同的巖石，其光譜特征也會有差異。本文在遼寧省興城地區(qū)巖礦光譜數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，分別從巖石類型及其地質(zhì)年代上進(jìn)行分析，將為該區(qū)域的地質(zhì)填圖和找礦提供一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省西部，海拔高度20～500 m，相對高差200～350 m，地勢總體上呈現(xiàn)西北高東南低的趨勢，氣候?qū)儆诒卑肭蚺瘻貛啙駶櫄夂?，植被類型豐富[21]。

興城地區(qū)(圖1)出露的地層為典型的華北型，地層發(fā)育較為齊全，從太古宙巖石單元到中——新元古界、古生界、中生界和新生界都有分布。多方向構(gòu)造相互交錯使本區(qū)斷裂構(gòu)造比較復(fù)雜，主要有近東西向、北東向、北北東向、北東東向、北西向、南北向和少量北西西向。褶皺構(gòu)造顯現(xiàn)比較明顯，多由侏羅系、白堊系構(gòu)成?；鹕綆Х植荚谖鞅焙椭斜辈繀^(qū)域，總體呈北東向分布，與所構(gòu)成的主要褶皺構(gòu)造直接聯(lián)系。環(huán)形構(gòu)造成因與巖漿侵入有關(guān)，有些與火山活動相關(guān)。

2 巖石光譜測試

2.1 測試儀器

巖石光譜測試儀器為美國Analytical Spectral Devices，Inc公司的 FieldSpec FR-3型便攜式野外光譜儀。波譜范圍為350～2 500 nm，波長分布從可見光到短波紅外[22]?？梢姽?近紅外(VNIR，350～ 1 000 nm)通道的光譜測量間隔為1.4 nm，分辨率約為3 nm；短波紅外(SWIR，900～2 500 nm)通道的光譜測量間隔為2 nm，分辨率為6.5～8.5 nm，變化范圍取決于光譜儀測量樣品時的掃描角度，即視場角[18]。等效輻射噪聲小于10-8。

2.2 測試方法

興城野外共測試巖石樣品54個。測定時間為每天12:00——14:00，天空云量小于10%，測試場地的視場角為25°左右。在野外每次進(jìn)行巖石光譜測試前，需要在半小時之前對儀器進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱和軟件標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)試，并用白板進(jìn)行定標(biāo)。測試時，每個樣品測試10次求平均得到樣品的反射率。對每個測試點進(jìn)行GPS經(jīng)緯度定位，同時用相機(jī)拍攝采樣環(huán)境和樣品特征。在野外記錄本上詳細(xì)記錄采樣巖石的命名、經(jīng)緯度、地質(zhì)背景以及環(huán)境情況等信息[17]。

3 巖石光譜特征分析

根據(jù)野外現(xiàn)場測試的波譜曲線，分別比較分析不同巖石類型、不同地質(zhì)時代巖石類型的波譜特征。

3.1 巖漿巖類波譜特征

圖1 興城地區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Xingcheng area

a.綏中花崗巖； b.輝綠巖；c.花崗斑巖 ；d.花崗閃長巖。圖2 興城野外巖漿巖樣品Fig.2 Magmatic rock samples in Xingcheng area

研究區(qū)出露的巖漿巖體以中酸性為主，主要有花崗巖、花崗閃長巖、花崗斑巖、輝綠巖及安山巖等，部分巖漿巖樣品如圖2所示。興城野外巖漿巖風(fēng)化面和新鮮面測試的光譜曲線如圖3所示。從光譜曲線可以看出：1)興城野外各類巖漿巖譜線形態(tài)基本相似，主要巖漿巖的新鮮面和風(fēng)化面光譜吸收位置相差不大，一般地，巖漿巖新鮮面的反射率要普遍高于風(fēng)化面的反射率；2)在580～920 nm附近有一個較寬的反射峰，在940 nm左右存在鐵離子吸收谷；3)除了1 400 nm和1 900 nm處的水汽吸收帶外，5種巖類在2 200 nm左右還有一個強(qiáng)吸收谷。這是利用實測光譜提取礦物和巖石分類的基礎(chǔ)[23-25]。

3.2 沉積巖類波譜特征

研究區(qū)出露的沉積巖最廣，以砂巖、泥巖、碳酸鹽巖為主。野外采集的主要沉積巖巖石樣品如圖4所示，其風(fēng)化面和新鮮面光譜如圖5所示。從光譜曲線可以看出： 1)沉積巖的光譜特征與巖石中的化

a.風(fēng)化面；b.新鮮面。圖3 興城地區(qū)巖漿巖光譜Fig.3 Magmatic rocks spectra in Xingcheng area

a.鈣質(zhì)砂巖； b.白云巖；c.灰色粉砂巖；d.白云質(zhì)灰?guī)r。圖4 興城野外沉積巖樣品Fig.4 Sedimentary rock samples in Xingcheng area

學(xué)成分有關(guān)，與所含的水分、羥基、碳酸根離子、鐵離子以及其他礦物含量密切相關(guān)，其含量不同，吸收強(qiáng)弱亦不同，而使反射光譜特征曲線產(chǎn)生差異，總體反射率為0.1～0.5；2)在900 nm附近有鐵離子特征吸收帶，主要是由于鐵離子的吸收引起的；3)鈣質(zhì)砂巖、石英砂巖、白云巖和灰色粉砂巖這4種巖類在2 200 nm左右有一個吸收谷，主要是由羥基吸收引起的；4)鈣質(zhì)砂巖和白云質(zhì)灰?guī)r在2 300 nm左右有一個比較高的吸收谷，這主要是由碳酸根離子吸收引起的[23-25]。

3.3 不同地質(zhì)年代下巖石光譜特征

不同地質(zhì)時代巖石的風(fēng)化程度不同，使得巖石的成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，直接反映為光譜特征上的差異[26]。圖6為不同年代石英砂巖和灰?guī)r的光譜曲線。從圖6a可以看出：不同地質(zhì)年代的石英砂巖有近似的光譜曲線，除了1 400 nm和1 900 nm處的水汽吸收帶外，在2 200 nm左右還存在吸收谷，在900 nm附近有一個微小的吸收谷；常州溝組石英砂巖反射率最低，團(tuán)山子組石英砂巖反射率最高。從圖6b可知:不同地質(zhì)年代的灰?guī)r光譜曲線相似，在2 300 nm左右有一個強(qiáng)吸收谷，這主要是由碳酸根離子吸收引起的;團(tuán)山子組灰?guī)r反射率最高，崮山組晚寒武世灰?guī)r反射率最低。總之，巖石光譜特征隨著地質(zhì)時代的變化并無規(guī)律，更多的與巖石結(jié)構(gòu)、成分和環(huán)境因素等相關(guān)[27]。

a.風(fēng)化面；b.新鮮面。圖5 興城地區(qū)沉積巖光譜Fig. 5 Sedimentary rocks spectra in Xingcheng area

圖6 不同地質(zhì)年代下石英砂巖(a)和灰?guī)r(b)的光譜曲線Fig.6 Spectral curves of quartz sandstone (a) and limestone (b) under different geological time

4 結(jié)論

1)興城地區(qū)不同巖漿巖和沉積巖的光譜曲線形態(tài)基本相似，新鮮面和風(fēng)化面的吸收位置相差不大。新鮮面的反射率普遍高于風(fēng)化面的反射率。

2)巖漿巖類和沉積巖類一般在900 nm左右存在鐵離子吸收谷，在2 200 nm左右有一個強(qiáng)吸收谷。除了1 400 nm和1 900 nm處的水汽吸收帶外，沉積巖類普遍在2 300 nm左右有一個比較強(qiáng)的吸收谷。

3)不同地質(zhì)年代下的巖石光譜曲線變化并無規(guī)律，更多地與巖石結(jié)構(gòu)、成分和環(huán)境因素等相關(guān)。

在巖石光譜測試以及巖石光譜特征分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究和理解巖礦光譜特征，可以為巖石礦物成分及結(jié)構(gòu)特征探測，以及為研究區(qū)巖性識別、異常信息提取提供更多的技術(shù)支撐，進(jìn)一步滿足地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價的需要。

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Rock Spectral Measurements and Their Characterization Analysis in Xingcheng Area, Liaoning Province

Chen Shengbo，Zhang Ying，Guo Pengju，Zhao Ying，Xie Minghui

CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

Remote sensing images record the rock spectral radiation characteristics and morphological characteristics. In the study, after the spectra of different rocks were measured in Xingcheng area for ASD spectrometer, the spectral characteristics are analyzed to the rocks with fresh and weathering surfaces for different rock types and different geological era. The spectral curves of different sedimentary and magmatic rocks are similar, and their absorbing positions have the same wavelength. But the reflectance of the fresh surface of rocks is higher than the weathering surface. Around 900 nm, the spectral absorption valley may be due to iron ions. In addition to 1 400 nm and 1900 nm of water vapor absorption band, sedimentary and magmatic rocks have a strong absorption valley around 2 200 nm, while limestone has a relatively high peak around 2 300 nm. These are theoretical basis of rock classification in the spectral method. But the spectral features of rocks on different geological era are not obvious. And it is related to the texture and components of rocks. Thus, the rock spectral measurements and spectral characterization analysis can meet the need of lithology recognition, mineralization alteration information extraction for geological investigation and mineral exploration.

Xingcheng area,Liaoning Province; rocks; spectral measurement; spectral characteristics

10.13278/j.cnki.jjuese.201501306.

2014-03-22

國家科技專項項目(201011083 SinoProbe09-06)

陳圣波(1967——)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事遙感技術(shù)研究，E-mail:chensb@jlu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501306

P585

A

陳圣波，張瑩，郭鵬舉，等. 遼寧興城地區(qū)巖石光譜測試及特征分析.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(1):320-326.

Chen Shengbo，Zhang Ying，Guo Pengju, et al. Rock Spectral Measurements and Their Characterization Analysis in Xingcheng Area, Liaoning Province.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):320-326.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501306.