基于光譜聯(lián)合分析的鞍山式鐵礦原位測定方法

劉善軍 虞茉莉 王 東

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧沈陽110819）

鐵礦資源是支撐國民經(jīng)濟(jì)的主要礦產(chǎn)資源，也是國家發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?！鞍吧绞健辫F礦國際上又稱為條帶狀鐵建造（Banded Iron Formations，簡稱BIF），在全球廣泛分布，占世界鐵礦總儲(chǔ)量60%［1］，也是我國最重要的鐵礦類型，占全國鐵礦資源總儲(chǔ)量55.2%，居于全國首位。因此，對其研究程度的高低，直接影響我國乃至世界鐵礦資源供給與需求滿足。鐵礦中組分含量的確定對于衡量鐵礦石品質(zhì)的優(yōu)劣具有重要意義，并且可以指導(dǎo)配礦流程、選礦方法的確定。傳統(tǒng)的室內(nèi)測定方法雖然精度較高，但存在周期長、工作量大、操作繁瑣等不足，已成為智能開采和高效配礦的技術(shù)瓶頸。

高光譜分析技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一種定性定量分析技術(shù)，其與傳統(tǒng)方法相比具有快速、無損、便攜等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于巖礦分析等領(lǐng)域［2］。國內(nèi)外學(xué)者通過對多種礦物與巖石的可見光-近紅外光譜特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)依據(jù)譜帶特征能夠?qū)崿F(xiàn)對礦物、巖石的識(shí)別及定量分析［3-4］。鞍山式鐵礦主要由磁鐵礦（Fe3O4），赤鐵礦（Fe2O3）和石英（SiO2）礦物組成，應(yīng)用高光譜技術(shù)對鐵含量與二氧化硅含量的定量分析已有許多成果問世。一些學(xué)者分析了磁鐵礦的光譜特性，發(fā)現(xiàn)鐵含量與0.85～0.9 μm波段光譜反射率均值呈顯著的指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，據(jù)此可估算試驗(yàn)樣品中的鐵品位［5-6］。毛亞純等［7］通過對鞍山式鐵礦的反射光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鐵礦石中的磁性率與其反射光譜相關(guān)性顯著，基于試樣反射光譜建立了磁性率的定量反演模型，模型誤差為3.8%。文獻(xiàn)［8-11］基于ASTER數(shù)據(jù)建立了SiO2含量的定量回歸模型，并進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，取得了較好的效果。楊杭等［12］在對試驗(yàn)樣品的熱紅外光譜特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了樣品SiO2含量多元線性回歸定量反演模型，預(yù)測精度較高。劉善軍課題組［13］通過對鞍山式鐵礦的發(fā)射光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鐵礦石中的二氧化硅含量與其發(fā)射光譜相關(guān)性顯著，據(jù)此建立了二氧化硅含量的定量反演模型，誤差為3.57%。

反射光譜主要是由巖礦中的金屬陽離子電子躍遷產(chǎn)生，適宜對鞍山式鐵礦中Fe離子礦物含量進(jìn)行反演；發(fā)射光譜主要是由巖礦中的Si—O鍵分子振動(dòng)產(chǎn)生，適宜于對鞍山式鐵礦中石英的含量進(jìn)行定量反演。但是，使用單一光譜測試方法，往往難以確定鐵礦中所有組分的含量。因此，對于“鞍山式”鐵礦，如何利用高光譜分析技術(shù)進(jìn)行礦石中所有組分含量的測定，需要進(jìn)一步研究。對此，本研究將反射光譜與發(fā)射光譜協(xié)同起來，建立光譜聯(lián)合分析方法，進(jìn)而確定樣品中各組分含量。該方法為鐵礦石原位測定以及遙感找礦提供了新的技術(shù)方法。

1 理論分析

反射光譜分析技術(shù)中普遍使用的譜段范圍為反射波段（0.4～2.5 μm），礦物的反射光譜特征主要與金屬陽離子和陰離子基團(tuán)有關(guān)，光譜特征的差異主要取決于晶體物化屬性的不同，即金屬陽離子的電子躍遷、陰陽離子的化合價(jià)、陽離子的配位數(shù)目、主要陽離子的質(zhì)量、鍵的共價(jià)程度、陰陽離子間的距離、晶體對稱的不同。因此，不同的礦物會(huì)形成獨(dú)特而穩(wěn)定的反射光譜曲線，并在特定的波長位置產(chǎn)生穩(wěn)定的光譜特征，指示著某種礦物的存在狀況以及含量的高低。一般而言，陽離子（如Fe2+，F(xiàn)e3+、Mn3+等）因電子躍遷在可見光區(qū)或近紅外區(qū)具有顯著的特征譜帶，基于此波段的光譜特征可進(jìn)行鐵品位的定量反演［14］。

發(fā)射光譜主要是由于巖礦中的分子振動(dòng)產(chǎn)生的，巖礦中最普遍、最重要的分子振動(dòng)為Si—O鍵的分子振動(dòng)，其能量級(jí)差較小，對應(yīng)的光譜主要集中在中紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外波段。因此，可見光、近紅外波段不具備識(shí)別Si—O鍵的特征譜帶，但熱紅外波段可以有效識(shí)別。由于大氣吸收及散射等原因，5～8 μm區(qū)間的電磁波在大氣中的透過率非常低，因此8～14 μm是熱紅外遙感最常用的波段范圍，也稱為大氣窗口。因此基于試樣在8～14 μm波段的發(fā)射光譜特征可實(shí)現(xiàn)SiO2識(shí)別提取以及含量的定量反演［12］。

2 樣品制備與光譜測試

2.1 樣品制備

遼寧省鞍山—本溪地區(qū)是我國最主要的鞍山式鐵礦富集區(qū)，該地區(qū)鐵礦儲(chǔ)量約占全國鐵礦總儲(chǔ)量的20%。本研究以遼寧省鞍鋼集團(tuán)下屬的鞍千礦為試驗(yàn)區(qū)，在區(qū)內(nèi)露天采場的不同地點(diǎn)共采集了100件典型塊狀試驗(yàn)樣品，其大小約為12 cm×12 cm×6 cm。然后對其進(jìn)行加工處理，得到100件厚度為1 cm、直徑為6 cm的圓盤形樣品，如圖1所示。

2.2 組分確定

光譜測試完畢后，對樣品中的組分及其含量進(jìn)行了確定，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：樣品主要由 Fe2O3、Fe3O4、SiO23 種組分構(gòu)成，其總量接 近99%。其他雜質(zhì)組分含量很少，主要為CaO、MgO，總量約1%。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，樣品中SiO2含量與Fe2O3、Fe3O4二者含量之和呈反比關(guān)系，而 Fe2O3、Fe3O4二者含量之間也呈反比關(guān)系，此為鞍山式鐵礦成分的典型特征。

2.3 反射光譜測試

本研究采用便攜式地物光譜儀SVC HR-1024對試驗(yàn)樣品進(jìn)行了反射光譜測試。為保證光譜測試時(shí)太陽高度角在45°以上，光譜測試時(shí)間在10:00～14:00進(jìn)行；為減小氣溶膠和其他因素的影響，光譜測試選擇在天空晴朗無云的室外進(jìn)行。光譜測試時(shí)，將試驗(yàn)樣品水平放置，并保持光譜儀鏡頭垂直于樣品觀測面，觀測距離設(shè)置為0.3 m。每件樣品重復(fù)測試3次，取其均值作為該樣品的反射光譜數(shù)據(jù)。

2.4 發(fā)射光譜測試

采用紅外光譜輻射計(jì)Turbo FT對樣品進(jìn)行發(fā)射光譜測試。由于大氣對樣品的發(fā)射光譜具有一定的影響，因此選擇8～14 μm波段的光譜曲線進(jìn)行分析。為減弱周圍環(huán)境的輻射與影響，選擇在天空無云、無霧、微風(fēng)的室外進(jìn)行，測試時(shí)讓樣品觀測面保持水平，垂直觀測樣品表面，觀測距離設(shè)置為0.3 m。每件樣品重復(fù)測試3次，取其均值作為該樣品的發(fā)射光譜數(shù)據(jù)。

3 光譜分析

3.1 反射光譜特征分析

試驗(yàn)樣品的反射光譜測試結(jié)果如圖3所示，由于樣品數(shù)量較多，不便全部顯示在一幅圖中。為此，選取典型的樣品光譜曲線進(jìn)行分析。選擇的標(biāo)準(zhǔn)是包含鐵礦石光譜曲線的上限和下限各2條，然后中間部分等間距再選擇3條光譜。對試樣光譜進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：赤鐵礦與磁鐵礦反射光譜形成兩種截然不同的光譜趨勢。赤鐵礦反射光譜曲線于0.35～0.90 μm波段呈現(xiàn)下降趨勢，于0.90～1.25 μm波段呈現(xiàn)顯著上升趨勢，于1.25～2.50 μm波段呈現(xiàn)較平緩的趨勢；磁鐵礦反射光譜于0.35～2.50 μm波段均呈現(xiàn)較平緩的趨勢。這是由于赤鐵礦中的鐵離子主要是以Fe3+形式賦存，F(xiàn)e3+在0.75 μm形成了一個(gè)微弱的反射峰，并于0.95 μm形成了一個(gè)非常顯著的反射谷，如圖3中的實(shí)線所示；磁鐵礦中的鐵離子主要是以 Fe2+形式賦存，F(xiàn)e2+在 0.35～2.50 μm 波段沒有明顯的光譜特征，因此其反射光譜曲線較平緩，如圖3中虛線所示。

3.2 發(fā)射光譜特征分析

典型試驗(yàn)樣品的發(fā)射光譜測試結(jié)果如圖4所示。分析發(fā)現(xiàn)：在8～10 μm波段發(fā)射率較低，由2個(gè)顯著的發(fā)射谷組成，2個(gè)發(fā)射谷之間形成一局部的發(fā)射峰；10～12 μm波段，光譜整體較平緩；12～14 μm波段，有2個(gè)較微弱的發(fā)射谷及1個(gè)12.5 μm處的發(fā)射峰。樣品在8～10 μm波段明顯的發(fā)射谷特征是硅酸鹽特有的輻射特征，主要由Si—O鍵的分子振動(dòng)引起，而且8～10 μm發(fā)射谷的深度與巖礦中石英的含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，即試樣中石英含量越高，該位置發(fā)射谷的深度越深，試樣中石英含量越低，該位置發(fā)射谷的深度越淺。部分鐵品位高的礦石樣品，由于發(fā)射率較低，導(dǎo)致儀器測不準(zhǔn)，在12～14 μm波段出現(xiàn)發(fā)射率高于1的現(xiàn)象。

4 模型建立與驗(yàn)證

4.1 模型建立

由上文測試結(jié)果可知，試驗(yàn)樣品的反射光譜可以反映礦石中金屬離子（Fe3+、Fe2+）的特性，而發(fā)射光譜則可以反映礦石中SiO2的特性，二者結(jié)合則可以協(xié)同反映礦石成分的全貌。文獻(xiàn)［7］研究發(fā)現(xiàn)，金屬陽離子（Fe2+，F(xiàn)e3+等）因電子躍遷在可見光-近紅外波段具有明顯的特征吸收譜帶。因此，可依據(jù)樣品反射光譜，通過建立定量反演模型，對樣品磁性率進(jìn)行定量反演，如式（1）、式（2）所示：

式中，RI為比值指數(shù)；R0.935為0.935 um波長的反射率；R1.050為1.050 um波長的反射率；C磁性率為樣品的磁性率。

文獻(xiàn)［13］研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)樣品SiO2含量與樣品熱紅外光譜存在密切聯(lián)系，可據(jù)此建立定量反演模型，對試驗(yàn)樣品中SiO2含量進(jìn)行反演，如下式所示：

式中，NDI為歸一化指數(shù)；E8.06為試驗(yàn)樣品8.06 um波長的發(fā)射率；E8.2為試驗(yàn)樣品8.2 um波長的發(fā)射率；C二氧化硅為試驗(yàn)樣品SiO2含量。

由于鞍山式鐵礦主要由SiO2、Fe2O3、Fe3O43種組分組成，其含量達(dá)到總量的99%左右。因此，假設(shè)樣品中只有這3種組分，則應(yīng)用式（4）即可對樣品SiO2含量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而確定出Fe2O3、Fe3O4總含量。然后，依據(jù)樣品反射光譜，應(yīng)用式（2）對磁性率ω（FeO）/ω（TFe）進(jìn)行定量反演。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Fe2O3中Fe的比例為0.7，F(xiàn)e3O4中Fe的比例為0.724，基于上述已知條件聯(lián)立方程組，可得：

通過解式（5）可以確定出樣品中Fe2O3、Fe3O4含量，即：

于是，可得到礦石中全鐵品位TFe：

經(jīng)過上述步驟，即可確定出試驗(yàn)樣品中SiO2、Fe2O3、Fe3O43種主要組分的含量及樣品的磁性率與鐵品位等工業(yè)指標(biāo)。

4.2 應(yīng)用驗(yàn)證

選擇鞍鋼礦業(yè)公司的鞍千礦露天采場作為試驗(yàn)場，在采場的5個(gè)開采斷面布設(shè)了5條勘探線（圖5），對勘探線處每間隔一定距離進(jìn)行采樣。采樣方法為：在礦體的邊界處一般采樣間隔為0.5～1.0 m，而在礦體內(nèi)部一般采樣間隔為2.0 m，跟據(jù)該方案進(jìn)行露天采場樣品采集。然后對樣品進(jìn)行反射光譜與發(fā)射光譜測試，并應(yīng)用上述模型對礦石中組分含量進(jìn)行定量反演。最后，依據(jù)樣品采集位置的GPS坐標(biāo)，將其展布于平面圖中，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：礦體北部鐵礦品位相對較高，礦體中部和南部區(qū)域鐵礦品位相對較低，東南部有一小部分區(qū)域的品位低于工業(yè)品位20%。將提取結(jié)果與礦區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)鐵礦分布情況與礦區(qū)現(xiàn)場鐵礦富集情況基本一致，結(jié)果比較理想。

為檢驗(yàn)所建模型的精度，在現(xiàn)場采集了15件樣品進(jìn)行了室內(nèi)組分測定，并與模型反演結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明：模型反演的SiO2含量的平均預(yù)測誤差為 3.6%，w（FeO）/w（TFe）平均預(yù)測誤差為 3.64%，F(xiàn)e2O3含量的平均預(yù)測誤差為4.6%，F(xiàn)e3O4含量的平均預(yù)測誤差為3.74%，全鐵品位的平均預(yù)測誤差為3.5%。從反演結(jié)果來看，雖然單件樣品的反演精度較室內(nèi)測試方法偏低，但由于現(xiàn)場的便攜式原位測定方法具有采樣密度高、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，5個(gè)開采斷面中251件試驗(yàn)樣品，1 d內(nèi)即可測試完成，具有很高的時(shí)效性。

需要指出，該方法由于只考慮了Fe2O3、Fe3O4、SiO2的測定，而忽略了其它含量少的成分測試，且由于光譜測試受到樣品表面粗糙度、觀測角度、光照條件等影響，目前還存在較大的誤差。但隨著這些影響因素和影響規(guī)律的進(jìn)一步研究和模型優(yōu)化，有望進(jìn)一步減小測試誤差，逐步應(yīng)用于礦山巖礦的原位測試，推動(dòng)無人采礦、智能采礦、智能配礦技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié) 論

本研究選取“鞍山式”鐵礦石作為試驗(yàn)樣品，將反射光譜和發(fā)射光譜相結(jié)合進(jìn)行了礦石組分的定量分析，得到以下結(jié)論：

（1）基于反射光譜可以定量反演出“鞍山式”鐵礦的磁性率，而基于發(fā)射光譜可以反演樣品的二氧化硅含量，將兩者優(yōu)勢相結(jié)合，建立了反射光譜和發(fā)射光譜聯(lián)合的分析模型，可確定鞍山式鐵礦中的SiO2、Fe2O3、Fe3O4各組分含量，進(jìn)而確定礦石的全鐵含量，為“鞍山式”鐵礦石各組分含量的原位測定提供了新方法。

（2）基于新的原位測定方法進(jìn)行的鐵礦體品位分區(qū)圈定結(jié)果，與基于室內(nèi)化驗(yàn)方法的圈定結(jié)果基本一致，使用15件實(shí)際樣品進(jìn)行了測試驗(yàn)證，全鐵品位的平均預(yù)測誤差為3.5%。

（3）需要說明的是，目前新方法較室內(nèi)測試方法精度偏低，有待改進(jìn)。但由于其采樣密度高、速度快、效率高、時(shí)效性強(qiáng)，在某些方面具有特定優(yōu)勢，且在后期模型優(yōu)化和精度提高的基礎(chǔ)上，有望代替室內(nèi)測試方法，逐步應(yīng)用于礦山巖礦的原位測試，為將來的巖礦智能感知，以至于無人采礦、智能采礦和智能配礦提供新的技術(shù)方法。

致 謝

感謝鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司對本研究給予的支持！