蝕變礦物的偏振光譜學研究

楊云漢，史維鑫，邱駿挺

1. 核工業(yè)北京地質研究院遙感信息與圖像分析技術國家級重點實驗室，北京 100029 2. 自然資源實物地質資料中心，河北 三河 065201

引 言

地球表面和大氣中的目標在反射、散射和透射及電磁輻射時會產生特有的偏振現(xiàn)象，可增加目標的信息量。通過測量目標輻射和反射光的偏振強度值、偏振度、偏振角、偏振橢率和輻射率，可以解決傳統(tǒng)光度學探測無法解決的一些問題，是對普通光譜探測手段的有益補充。

對自然物體表面的偏振反射測量始于1964 年，并經(jīng)歷了較為深入的研究和探討。英國Raven通過對毛藤花等植物葉片的研究獲得了大量植物單葉的偏振反射數(shù)據(jù)。Liu通過偏振遙感測量海洋大氣浮塵，解釋了海洋表面紅移現(xiàn)象的原因[1]。國內許多專家也開展了相關研究，如： 中科院安徽光機所孫曉兵[2]等發(fā)現(xiàn)來自人工目標及自然背景的光波偏振角參數(shù)是一個與物體表觀及固有特性直接相關的一個本征信息，偏振角參數(shù)能夠較好地描述物體不同的表面取向，可以用來表征目標及背景的狀態(tài)特性。北京大學趙虎[3]等利用中國科學院長春光學精密機械研究所研制的二向反射光度計，分別測量了橄欖巖[3]、花崗巖[4]、石灰?guī)r、輝長巖、玄武巖[5]等多種巖石的多角度偏振反射比及二向性反射比[6]，發(fā)現(xiàn)地物在光線入射天頂角較大時，經(jīng)過表面反射會發(fā)生起偏，地物的反射光譜中的偏振度開始時隨人射角的增大而增加，到布儒斯特角時達到峰值，然后又開始逐漸減小，同時還發(fā)現(xiàn)不同巖石峰值的高低存在差異。趙乃卓對巖石表面鏡面反射和漫反射分別進行了定量研究[7]，發(fā)現(xiàn)光線入射天頂角會對兩種反射起到一定的影響，且影響的強弱受巖石表面光滑程度和相對探測方位角控制。東北師范大學的趙云升[8-9]等對石英、脈石英、玉髓、蛋白石、方解石五種礦物進行了測量，發(fā)現(xiàn)礦物對偏振光反應敏感，90°偏振反射最強，0°偏振反射最弱，無偏時(二向性反射)居于二者之間，鑒于不同礦物偏振特性存在差異，利用偏振光譜對不同礦物進行識別和分類具有一定的可行性。

蝕變礦物識別與蝕變帶劃分的方法及邊界的尋找是現(xiàn)在礦床學研究的重要課題之一[10]。前人在巖石和礦物偏振特性方面已開展了相關研究，但這些研究主要針對巖石大類和造巖礦物，對于蝕變礦物偏振特性的研究則十分薄弱，嚴重制約了偏振遙感技術在礦床學和地質勘查中的應用效果。鑒于此，利用自主研發(fā)的偏振測量硬件和數(shù)據(jù)處理軟件對11種常見的礦床蝕變礦物進行了系統(tǒng)的偏振光譜測量，在此基礎上探討了偏振光譜技術在蝕變礦物識別分類中的應用潛力，為偏振遙感技術在礦床蝕變帶劃分、礦產勘查和新一代小型光譜儀研發(fā)提供參考。

1 實驗部分

實驗依托核工業(yè)北京地質研究院自主研發(fā)的偏振光譜測量裝置和自動化控制軟件完成。偏振光譜測量裝置由中央定臺、內水平轉臺、外水平轉臺、L型機械臂、L型光源支架、偏振片旋轉器、光纖、光譜儀、計算機、步進電機(A-E)以及光源組成(圖1)，可以測量不同入射、出射條件下材料的偏振光譜。自動化控制軟件包含主界面、電機速度控制界面和RS3軟件配置界面三部分(圖2)，可以根據(jù)預先設置的運行腳本實現(xiàn)對測量裝置和光譜儀的全自動控制，其中對電機C和D的單步控制為0.993 6°，對電機E的控制為1°。

圖1 偏振光譜測量裝置示意圖和實物圖1： 中央定臺； 2： 內水平轉臺； 3： 外水平轉臺； 4： L型機械臂；5： L型光源支架； 6： 偏振片旋轉器； 7： 光纖； 8： 光譜儀；9： 計算機； 10： 步進電機A； 11： 步進電機B； 12： 步進電機C；13： 步進電機D； 14： 步進電機E； 15： 光源Fig.1 Schematic and physical images of polarization device

1： Central fixed stage; 2： Inner horizontal turntable; 3： Outer horizontal turntable; 4： L robot arm; 5： L light source bracket; 6： Polarizer rotation; 7： Optical fiber; 8： Spectrometer; 9： Computer;

10： Stepper motor A; 11： Stepper motor B; 12： Stepper motor C;

13： Stepper motor D; 14： Stepper motor E; 15： Light source

考慮到環(huán)境和儀器自身反射光會對實驗結果產生不可預計的影響，測量前，先進行了環(huán)境實驗。假定儀器在空載狀態(tài)下接收到的信號為環(huán)境噪聲，假定放置樣品(本試驗以方解石為例)后接收到的信號為樣品信號，通過對比環(huán)境噪聲與樣品信號之間的強度差異就可以定量化的判斷環(huán)境噪聲對實驗結果的影響。鑒于此，分別測量了儀器在空載和在裝載樣品時光譜儀的信號。通過對比發(fā)現(xiàn)(圖3)，在偏振片有效光譜范圍(450～750 nm)內，環(huán)境噪聲比樣品信號強度低很多，即便最強的環(huán)境噪聲與最弱的樣品信號相比，噪聲不足信號強度的15%，而且環(huán)境噪聲主要與中央定臺產生的漫反射光有關，當中央定臺放置樣品后，漫反射光基本由樣品提供，環(huán)境噪聲的影響將變的更低。由此可知，由周圍環(huán)境產生的噪聲不會對測量結果產生過大影響。

圖2 自動化控制軟件界面(a)： 主界面； (b)： 電機速度控制界面； (c)： RS3軟件配置界面Fig.2 Images of automation controller software(a)： Main interface; (b)： Speed control interface;(c)： RS3 software configuration interface

圖3 環(huán)境噪聲與信號強度的對比圖Fig.3 Environmental noise vs. signal

1.1 被測量的樣品

對11種礦物開展偏振光譜測量，包括： 鉀長石、黑云母、磁鐵礦、黃鐵礦、白云母、石英、綠泥石、方解石、赤鐵礦、螢石、白云石。其中鉀長石、黑云母、磁鐵礦、黃鐵礦、白云母、石英、綠泥石、赤鐵礦、方解石9種為斑巖銅礦蝕變帶常見礦物，石英、螢石、長石為3種短波紅外無法識別的礦物，方解石、白云石2種為可見光無法識別的礦物。所有樣品均為購買的標準樣品且經(jīng)地質人員根據(jù)礦物特性進行經(jīng)驗鑒定(圖4)。

1.2 參數(shù)說明

對有關參數(shù)進行說明： 設偏振光譜測量裝置的中央定臺為平面P，P的法線為N。入射光L與N之間的夾角A為入射角，出射光R與N之間的夾角B為出射角(當R與L位于N同一側時，B記為負，反之記為正)，L與R之間的夾角C為相角，L在P上的投影L′與R在P上的投影R′之間的夾角D為方向角。本實驗中設D恒為180°，此時L，R和N位于同一平面F，F(xiàn)稱為主平面。偏振片的偏振方向與F之間的銳夾角G稱為偏振夾角，當G=0°時，偏振方向與主平面平行，此時光譜儀在波長λ處接收的電信號強度記為Hλ∥，當G=90°時，偏振方向與主平面垂直，此時光譜儀在波長λ處接收的電信號強度記為Hλ⊥。上述參數(shù)關系在圖5中進行展示。

圖4 購買的標準礦物樣品和樣品的人工鑒定Fig.4 Mineral samples and sample check

圖5 本研究中的各種參數(shù)的關系示意圖Fig.5 Relationships among different parameters in this study

實驗設A恒為60°，B從-45°以5°為間隔增長至70°，對應的C的變化范圍為15°～130°。對于每一個C，都測量Hλ∥和Hλ⊥的值，分別記為Hλ∥(C)和Hλ⊥(C)。

偏振度計算方法為

PZλ(C)=(Hλ⊥(C)-Hλ∥(C))/(Hλ⊥(C)+Hλ∥(C))

(1)

1.3 測量過程

將礦物樣品整理并放置在偏振光譜測量裝置的中央定臺上。放置時保證被測的樣品平面與中央定臺的平面平行。之后，運用自動化控制軟件設置入射角A=60°、出射角B以5°步長從-45°變化到70°(相當于相角C從15°變化到130°)，每一組A和B都測量G=0°和G=90°兩個偏振態(tài)下的光譜曲線，每次測量時光譜儀先穩(wěn)定20 s，再駐停30 s完成測量。每測完一件樣品，更換樣品后，調用相同的控制腳本進行測量，直至全部11件樣品都被測完，最終獲得264組共528條光譜曲線。

2 結果與討論

礦物偏振度計算采用核工業(yè)北京地質研究院自主開發(fā)的偏振光譜處理展示及存儲系統(tǒng)完成(圖6)，并由CGDK軟件成圖[11]。通過輸入相關光譜曲線，由軟件系統(tǒng)根據(jù)式(1)自動計算出偏振度。由于光譜范圍介于450～750 nm，光譜儀以1 nm為間隔，因此每件樣品可通過式(1)計算得到7 224個不同的偏振度，但由于λ=650 nm時偏振度反差最大，對比效果好。因此所有礦物都以λ=650 nm為標準進行偏振度計算和對比研究。

圖6 偏振光譜處理展示及存儲系統(tǒng)Fig.6 Data processing software for polarization data

2.1 偏振光譜技術在蝕變帶劃分方面的應用

雖然礦床種類很多，但蝕變帶是找礦的重要標志，尤其在熱液型礦床和斑巖型礦床中[12]。現(xiàn)僅以斑巖型礦床為例進行介紹，該類礦床具有非常明顯的蝕變暈結構，其中部為斑巖體，沿中部向外依次為鉀化帶，絹英巖化帶、青磐巖化帶和高級泥化帶(圖7引自王乾杰 https://wenku.baidu.com/view/771169370b4e767f5acfce7b.html)。

鉀化帶溫度多在600 ℃，pH介于5～6。對于Cu-Au體系，鉀化帶中發(fā)育較多黑云母，對于Cu-Mo體系，鉀化帶中則多為次生鉀長石?？傮w而言，鉀化帶的特征礦物組合為鉀長石、黑云母、磁鐵礦。青磐巖化帶的溫度都為300～400 ℃，pH介于4～5，是由于次生鉀長石消耗了原始巖漿中的K和Al元素而導致Ca，Na和Cl元素遷移和擴散而形成。其特征礦物為綠泥石、綠簾石、方解石和鈉長石。黃鐵絹英巖化帶形成于300 ℃，pH約為3的環(huán)境，其特征是伴隨有天水和地下水加入，S逸度增加導致流體越來越富酸性，其特征礦物主要為黃鐵礦、白云母和石英。高級泥化形成溫度介于100～150 ℃，pH約為1～2，屬于近地表的環(huán)境，主要礦物為地開石、明礬石、葉臘石等，有些時候在其頂部還可出現(xiàn)鐵帽。由此可知，對于斑巖型礦床其最主要的蝕變礦物組合可歸納為： 鉀長石+黑云母+磁鐵礦； 黃鐵礦+白云母+石英； 綠泥石+方解石； 地開石+明礬石+葉臘石； 赤鐵礦+褐鐵礦。

圖8展示了本研究中與斑巖型礦床有關的9種蝕變礦物在650 nm波長下的偏振光譜曲線。整體上看，除方解石和磁鐵礦具有較為對稱的曲線外，其余礦物都具有偏振度隨相角增加而逐漸降低的趨勢，但不同的礦物偏振度隨相角變化的幅度存在差異。所有曲線首先具有一段相對較為平緩的區(qū)間，之后開始下降，但不同礦物曲線下降速度和幅度不同，如白云母下降速度大于黃鐵礦下降速度，且白云母最終下降到約-0.65而黃鐵礦則下降到約-0.35。按照下降幅度相比很明顯有白云母>黑云母>綠泥石≥黃鐵礦>(方解石、磁鐵礦、石英、鉀長石、赤鐵礦)。從最低點往后，不同礦物的曲線變化不同，如黃鐵礦、綠泥石、白云母、黑云母、石英等表現(xiàn)為上升，赤鐵礦、鉀長石、磁鐵礦、方解石表現(xiàn)為先上升后下降。此外，不同礦物偏振度最低點的位置也不相同，例如赤鐵礦在95°、黑云母在115°、綠泥石在120°、而白云母在125°。上述差異說明利用礦物的偏振差異可對不同礦物類型進行區(qū)分，進而說明偏振光譜具有對斑巖型礦床蝕變帶劃分的潛力。

圖8 斑巖型礦床中蝕變礦物在(λ=650 nm)不同相角情況下的偏振度

2.2 偏振光譜在可見光-短波紅外盲區(qū)礦物識別方面的應用

雖然短波紅外光譜技術已能有效識別幾十種不同類型的蝕變礦物，在礦床學、礦產勘查、油氣地質和礦物定量研究中得到了廣泛的應用[13-16]，但對“石英”“螢石”“長石”等在可見光-短波紅外波段沒有吸收特征的礦物，識別效果會受到很大的影響。

圖9中展示了螢石、長石、石英三種礦物在(λ=650 nm)不同相角情況下的偏振度。相比而言，螢石、長石和石英在偏振特性方面表現(xiàn)出比較大的差異。體現(xiàn)在螢石的偏振度從15°-2%開始具有“階梯狀”下降的特征，在110°～115°相角偏振度到達-0.18趨于平緩，而后迅速回升； 石英則是從15°開始緩慢下降，在60°后下降的速率有所提升，在110°左右到達谷底，而后再緩慢上升； 鉀長石是從15°處開始緩慢下降，在90°～100°附近趨于平緩，后快速上升至115°到達峰值，最后緩慢下降至130°。在90°至115°處螢石和石英都是緩慢下降的，而鉀長石是緩慢上升的。115°處螢石和石英達到谷值，而鉀長石到峰值，可以據(jù)此特點在三種礦物中區(qū)分出鉀長石。螢石、長石、石英在偏振特性方面的差異說明對于可見光-短波紅外盲區(qū)礦物，可以利用礦物的偏振特性對這些礦物加以區(qū)分，從而提高礦物種類識別的能力。

圖9 三種可見光-短波紅外盲區(qū)礦物在(λ=650 nm)不同相角情況下的偏振度

2.3 偏振光譜技術對光譜儀小型化的意義

近些年來，隨著科學技術的發(fā)展，光譜儀小型化已成為技術趨勢。目前，可見光光譜儀體積和重量都得到很大改善，但短波紅外光譜儀由于需要制冷設備，其體積和重量依然很大。

對于一些顏色上不易區(qū)分的礦物，如白云石和方解石，雖然二者在短波紅外譜段有非常明顯的差別，但在可見光波段的差別則很小，如需對二者進行區(qū)分需要使用短波紅外譜段的光譜儀，由此增加了光譜儀的體積和重量。此外，對于2 500 nm的短波紅外光譜儀，國內目前還不能生產和制造，因此成本非常高。

如果考慮礦物的偏振特性，方解石和白云石在λ=650 nm條件下不同相角的偏振度變化有很大的差別(圖10)。白云石的曲線首先有一段相對平緩的區(qū)間，方解石在該曲線則出現(xiàn)較為明顯的下降，在C=115°時方解石有一個非常小的上升峰，而白云石在此處則有一個下降谷，可據(jù)此對兩種礦物進行區(qū)分。這一例子也說明可以通過給可見光光譜儀添加偏振系統(tǒng)的方式來提高光譜儀對于礦物類別的識別能力，同時又不過分增加光譜儀的重量和體積。

圖10 白云石和方解石在(λ=650 nm)不同 相角情況下的偏振度Fig.10 Polarization degrees of dolomite and calciteat 650 nm wavelength

3 結 論

利用自主研發(fā)的偏振測量系統(tǒng)和處理軟件對11種常見蝕變礦物的偏振光譜特性進行系統(tǒng)研究得到以下結論： (1) 幾種參與研究的蝕變礦物的偏振光譜特性存在較為明顯的差異，可據(jù)此對礦物類別加以區(qū)分，進而說明礦物偏振特性具有劃分礦床蝕變帶的潛力。(2) 對于螢石、石英、鉀長石等可見光-短波紅外光譜不易區(qū)分的礦物，其偏振特性存在較大區(qū)別，說明偏振光譜可在傳統(tǒng)可見光-短波紅外光譜的基礎上增強礦物識別與分類的能力。(3) 研究表明方解石和白云石等在可見光波段不易區(qū)分的礦物，在偏振特性方面存在差異，為小型可見光光譜儀的升級改造，提高可見光光譜儀的礦物識別能力提供了新的思路?？傊?，偏振光譜在蝕變礦物識別方面的能力已經(jīng)顯現(xiàn)，在地質應用特別是礦床學和地質勘探中的潛力較大，應當積極推進研究。

致謝：感謝核工業(yè)北京地質研究院張川和孟樹在樣品準備，以及秦凱在儀器調試中給予的幫助和支持。