顆粒度對高品位赤鐵礦可見光—近紅外光譜的影響研究

劉海琪 劉善軍 丁瑞波

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110819)

鐵礦資源是鋼鐵工業(yè)快速發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),是衡量國家經(jīng)濟水平的重要標(biāo)志。在鐵礦資源開采過程中,成分快速測定與礦體邊界精準(zhǔn)圈定對開采效率有著重要影響。目前主要通過現(xiàn)場采樣、室內(nèi)化驗分析等傳統(tǒng)方法確定鐵礦品位,耗時長、效率低。相較而言,高光譜遙感技術(shù)具有快速、無損、便捷等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用在巖礦組分定量反演、蝕變信息提取、巖石礦物分類中[1-2]。然而,決定巖礦光譜特征的關(guān)鍵因素除了自身礦物組分、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等之外,顆粒度同樣對礦物光譜的反射率產(chǎn)生顯著影響[3-4],忽視顆粒度的影響會導(dǎo)致在應(yīng)用光譜進行巖礦分類或反演巖礦組分時出現(xiàn)較大誤差[5-6]。閆柏琨等[7]、王潤生[8]在進行巖礦光譜分析時發(fā)現(xiàn),隨著顆粒度變化,巖礦光譜的變化規(guī)律較為復(fù)雜,不僅不同礦物的反射光譜隨著粒度變化規(guī)律存在差異,而且即使是同一種礦物光譜在不同波段區(qū)間上的變化也不同。因此在利用巖礦光譜進行巖礦分類識別時,顆粒度對反射光譜的影響不容忽略。一些學(xué)者在對赤鐵礦光譜特征的研究中,發(fā)現(xiàn)顆粒度對光譜特征有重要影響,如王延霞等[9]對0.01～0.08mm的赤鐵礦進行光譜觀測,發(fā)現(xiàn)在990～2 560 nm波段范圍內(nèi),赤鐵礦的光譜反射率隨著顆粒度的增大而降低;在400～990 nm波段范圍內(nèi),光譜反射曲線隨著顆粒度變化無明顯規(guī)律。楊柏林等[10]研究了塊狀和0.076～0.3 mm顆粒度赤鐵礦的光譜曲線,發(fā)現(xiàn)赤鐵礦光譜在400～550 nm波段塊狀樣品反射率高,粒度小的樣品反射率低;在780～2 500 nm波段,反射光譜與樣品的顆粒度呈現(xiàn)相反的規(guī)律。

上述研究表明,顆粒度對于赤鐵礦反射光譜有重要影響,但不同研究者所得的結(jié)論存在差異。同時,課題組雖在前期開展了顆粒度對赤鐵礦光譜特征影響的研究[11],但所選擇的樣品為品位較低(鐵品位為30%)的赤鐵礦樣品,其光譜特征受樣品中石英光譜特征的影響較大。為此,本研究選擇了高品位的巴西赤鐵礦樣品,進一步對不同顆粒度赤鐵礦光譜進行研究,并將顆粒狀樣品與塊狀樣品的光譜特征進行對比。

1 試驗部分

1.1 樣品設(shè)計與制備

巴西赤鐵礦鐵品位高,大多分布在55%～67.5%范圍內(nèi),在我國的鋼鐵企業(yè)加工中發(fā)揮了重要作用[12]。本研究以品位58%的巴西赤鐵礦為研究對象,經(jīng)粉碎、研磨、烘干后,利用不同規(guī)格的篩網(wǎng)得到11件顆粒等級的赤鐵礦樣品,顆粒度等級為2～3 mm、1～2 mm、0.6～1.0 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm、0.07～0.15 mm、0.055～0.07 mm、0.050～0.055 mm、0.045～0.050 mm、0.040～0.045 mm、＜0.04 mm。由于0.04 mm以下顆粒度的樣品制備困難,所以該顆粒度以下的樣品不再區(qū)分。制備的樣品見圖1。從圖中可以看出,隨著粒徑減小,赤鐵礦樣品的顏色由鋼灰色逐漸變?yōu)榇u紅色。

圖1 不同顆粒度的赤鐵礦樣品Fig.1 Hematite samples with different particle sizes

1.2 光譜測試

本研究采用SVC HR-1024便攜式地物光譜儀對不同顆粒度赤鐵礦樣品的可見光—近紅外光譜進行測試。光譜儀的波長范圍為350～2 500 nm,共包括1 024個通道,其中,350～1 000 nm波段的光譜分辨率≤3.2 nm,1 000～1 850 nm波段的光譜分辨率≤8.5 nm,1 850～2 500 nm波段的光譜分辨率≤6.5 nm。

為確保試驗過程中試驗環(huán)境的穩(wěn)定性,避免風(fēng)、云等外界天氣因素干擾,試驗選擇在黑暗的室內(nèi)條件下進行,并通過鹵素?zé)裟M自然太陽光對樣品進行照射。試驗前先對標(biāo)準(zhǔn)白板的輻射亮度進行測試,以獲取標(biāo)準(zhǔn)參考光譜;試驗過程中將樣品放在直徑為5 cm的黑色樣品盒中,光照方向與水平方向夾角為45°,光譜儀鏡頭垂直于樣品上方40 cm,鹵素?zé)襞c樣品中心距離為65 cm。同時,為減弱隨機誤差和樣品表面形態(tài)的影響,每件樣品在試驗前進行搖勻處理,表面近似平整。光譜測試時,每件樣品旋轉(zhuǎn)3次,獲取3條光譜曲線,取其平均值作為樣品的最終反射光譜。室內(nèi)光譜測量如圖2所示。

圖2 光譜測量試驗示意Fig.2 Schematic of spectral measurement experiment

2 試驗結(jié)果與機理分析

2.1 不同顆粒度的赤鐵礦反射光譜

塊狀和11件不同顆粒度赤鐵礦樣品的光譜測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:雖然不同顆粒度的赤鐵礦光譜形態(tài)存在差異,但由于化學(xué)成分相同,光譜呈現(xiàn)的吸收特征等基本形態(tài)相似,即在530 nm和850 nm存在較為明顯的光譜吸收帶,這是由于Fe3+的電子躍遷所致[13]。并且,由于OH-與Fe3+的結(jié)合,樣品光譜在2 200 nm處體現(xiàn)微弱的振動特征[14]。但不同顆粒度等級下的赤鐵礦光譜曲線高低不同,顆粒度主要影響了赤鐵礦的光譜反射率,且主要體現(xiàn)在近紅外波段(尤其在1 200 nm后)。

圖3 不同顆粒度赤鐵礦光譜曲線Fig.3 Spectral curves of hematite with different particle sizes

通過對不同顆粒度赤鐵礦光譜反射率的變化特征進行詳細分析,可以得出:

(1)在0.07～3.00 mm顆粒度范圍內(nèi),光譜曲線相互交叉,隨著顆粒度的變化無明顯的規(guī)律性特征。

(2)在0.04～0.07 mm顆粒度范圍內(nèi),顆粒度對光譜的影響可以劃分為3段:350～560 nm波段,赤鐵礦反射率隨顆粒度增大而增大,但變化不大,最大變化幅度不超過2%;1 000～2 500 nm波段,赤鐵礦反射率隨顆粒度增大而減小,出現(xiàn)與350～560 nm波段范圍相反的規(guī)律,但反射率受顆粒度的影響最大變化幅度不超過7%;560～1 000 nm波段,光譜曲線彼此交叉,未呈現(xiàn)出光譜隨顆粒度的明顯變化規(guī)律(圖4)。

圖4 顆粒度＜0.07 mm赤鐵礦光譜曲線Fig.4 Spectral curves of hematite with particle size＜0.07mm

(3)當(dāng)顆粒度＜0.04 mm時,光譜曲線發(fā)生突然性變化,尤其在近紅外波段表現(xiàn)明顯,主要體現(xiàn)出3個方面的特征:①在可見光波段,350～620 nm波段內(nèi)光譜變化相對較小,但進入620 nm后,光譜反射率發(fā)生突然性升高,呈現(xiàn)明顯的紅邊效應(yīng),在750 nm處的反射峰明顯,較前一顆粒度的反射率升高約5%,說明此時樣品對紅光反射多,顏色呈現(xiàn)明顯的磚紅色;②在850～1 200 nm波段光譜曲線發(fā)生突然性升高,斜率增加明顯,反射率升高近15%,該特征也是赤鐵礦在顆粒度＜0.04 mm時出現(xiàn)的最大變化特征;③在1 200～2 500 nm波段,該顆粒度的光譜曲線變化平穩(wěn),與0.040～0.045 mm顆粒度樣品的光譜曲線相比,反射率差值始終保持在15%左右,變化不大。

(4)塊狀樣品在圖3中較為特殊,以波長1 000 nm為分界,在1 000 nm之前塊狀樣品的反射率高于顆粒狀樣品,而在1 000 nm之后,情況有所不同,反射率介于＜0.04 mm和其他顆粒度樣品光譜曲線之間。從光譜曲線來看,在可見光波段(380～760 nm),雖然反射率較高(在15%左右),但反射率變化不大,即各個波段的反射率近似相等,使得光線呈現(xiàn)灰色,所以,赤鐵礦在塊狀時經(jīng)常呈現(xiàn)鋼灰色。

上述研究表明:顆粒度對赤鐵礦的反射光譜影響較大,尤其當(dāng)顆粒度＜0.04 mm時,光譜曲線會發(fā)生突然性變化,光譜起伏變化明顯增大,據(jù)此利用細顆粒度光譜識別赤鐵礦的效果應(yīng)優(yōu)于塊狀或者粗顆粒樣品。同時,當(dāng)顆粒度小于0.04 mm時,光譜曲線發(fā)生突然性升高,在可見光波段主要體現(xiàn)在紅光波段750 nm處的反射峰明顯,這也解釋了赤鐵礦在大顆?；驂K狀時呈現(xiàn)黑色或鋼灰色,而在粉末狀時呈現(xiàn)磚紅色的原因(圖1)。地質(zhì)學(xué)上經(jīng)常利用這一物理性質(zhì)來識別赤鐵礦和磁鐵礦,即赤鐵礦利用它的條痕色與磁鐵礦進行區(qū)分,此時顯示的是它的自色。

文獻[11]對低品位(全鐵品位30%)不同顆粒度的赤鐵礦光譜進行了觀測,其結(jié)果與本研究試驗結(jié)果有所不同。首先,低品位赤鐵礦的光譜反射率為10%～60%,而本研究高品位赤鐵礦的光譜反射率為8%～30%,二者反射率高低有明顯不同;其次,當(dāng)顆粒度由3 mm減小至＜0.03 mm時,低品位赤鐵礦的光譜反射率逐級緩慢地升高,不存在使反射率發(fā)生突升的顆粒度臨界值,而高品位赤鐵礦的光譜反射率在顆粒度＜0.04 mm時發(fā)生突升。造成上述差異的原因主要是由于低品位赤鐵礦中含有較多的石英,石英的光譜特征在樣品反射光譜中占據(jù)了重要的特征。

2.2 機理分析

由2.1節(jié)試驗結(jié)果可知,決定赤鐵礦光譜特征的關(guān)鍵因素除了其自身礦物組分、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等之外,顆粒度同樣對光譜特征產(chǎn)生顯著影響,不同顆粒度的赤鐵礦反射光譜不同,本研究就該現(xiàn)象的產(chǎn)生機理進行討論。

(1)前述試驗結(jié)果顯示,0.07～3.00 mm顆粒度范圍的赤鐵礦樣品的光譜反射率隨著粒徑變化規(guī)律不顯著。究其原因,主要由于樣品顆粒較大時,光從一側(cè)照射到顆粒表面,而另一側(cè)因背光而產(chǎn)生陰影,造成這一側(cè)的反射光進入傳感器的光量減少,致使反射率減小。同時由于顆粒堆積的隨機性,造成了陰影遮擋的隨機性,也由此導(dǎo)致0.07～3.00 mm顆粒度樣品的光譜反射率隨著顆粒度變化無明顯規(guī)律。

(2)在0.04～0.07 mm顆粒度范圍內(nèi),隨著顆粒減小,表面起伏減小,陰影效應(yīng)減弱,此時,光學(xué)效應(yīng)主要體現(xiàn)在顆粒對于光傳播的影響。光源照射到樣品表面產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象近似于幾何光學(xué)[15],光在介質(zhì)中傳播時,介質(zhì)對光的吸收遵循朗伯-比爾定律[16-17]:

式中,I為傳感器觀測到的光照強度;I0為初始入射光照強度;k為介質(zhì)的吸收系數(shù),與樣品折射率以及波長有關(guān);x為光在介質(zhì)中傳播的光學(xué)路徑。光學(xué)路徑與顆粒度成正相關(guān)關(guān)系,顆粒度越大,光照進入赤鐵礦顆粒內(nèi)的光學(xué)路徑越長,光在傳播過程中的損耗越大,導(dǎo)致光譜反射率越低。因此,該粒徑范圍內(nèi)礦物顆粒的光譜反射率隨粒徑減小而升高。

(3)試驗結(jié)果顯示,當(dāng)顆粒度＜0.04 mm時,赤鐵礦樣品的光譜反射率突升,反射光譜顯著高于其他光譜曲線。圖5為＜0.04 mm顆粒度赤鐵礦樣品的粒度分析直方圖。由該圖分析可知:在＜0.04 mm顆粒度的赤鐵礦樣品中,0.01 mm以下的顆粒占到44.33%。在該粒度下,樣品粒徑與近紅外波長處于同一數(shù)量級,此時,光線在介質(zhì)中的傳播將不再完全符合幾何光學(xué)現(xiàn)象,而以散射作用為主,即照射到松散體的光線向四面八方發(fā)生散射作用[18],經(jīng)散射后的光線從各個方向進入傳感器內(nèi),光照強度顯著增大,最終導(dǎo)致顆粒度＜0.04 mm的赤鐵礦樣品的反射率大幅增加,尤其在近紅外波段,散射效應(yīng)更加明顯。

圖5 ＜0.04 mm顆粒度樣品的粒度分析直方圖Fig.5 Histogram of particle size analysis for＜0.04mm samples

(4)塊狀樣品以波長1000 nm為分界,在1 000 nm之前反射率高于顆粒狀樣品,而在1 000 nm之后,反射率低于顆粒度＜0.04 mm的樣品。塊狀樣品表面較為平整,起伏較小,當(dāng)光源照射至礦石表面后,不存在陰影干擾,造成塊狀樣品在350～1 000 nm波段的反射率高于顆粒狀樣品,而在1 000 nm之后的近紅外波段,＜0.04 mm顆粒度樣品的散射效應(yīng)增強,其反射率高于塊狀樣品。

3 結(jié) 論

本研究通過開展不同顆粒度赤鐵礦的可見光—近紅外光譜測試,針對顆粒度對赤鐵礦反射光譜的影響進行了分析,得出以下結(jié)論:

(1)不同顆粒度下赤鐵礦光譜曲線形態(tài)基本一致,顆粒度主要對光譜反射率影響顯著。

(2)當(dāng)顆粒度為0.07～3.00 mm時,赤鐵礦反射光譜隨著顆粒度變化規(guī)律不明顯。

(3)當(dāng)顆粒度為0.04～0.07 mm時,在350～560 nm波段范圍內(nèi),顆粒度與光譜反射率成正相關(guān);在1 000～2 500 nm波段范圍內(nèi),顆粒度與光譜反射率呈負(fù)相關(guān)。

(4)當(dāng)顆粒度＜0.04 mm時,在大于620 nm的波段范圍內(nèi),其光譜反射率發(fā)生突增,光譜曲線顯著高于其他顆粒度光譜曲線,且在紅色波段反射峰明顯。