礦物和巖石的系統(tǒng)光譜特征

礦物和巖石的系統(tǒng)光譜特征

1礦物、巖石地球化學(xué)特性研究地球物理研究所（sprite）研究光與物的相互作用。據(jù)測譜學(xué)原理由礦物的光譜特性研究礦物晶體結(jié)構(gòu)和成分由來已久,仍然方興未艾。對礦物、巖石光譜特性的系統(tǒng)研究[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32]奠定了當(dāng)今高光譜遙感技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。在前人研究成果[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32]的基礎(chǔ)上,本文系統(tǒng)歸納礦物與巖石的可見—近紅外光譜特征。2晶體結(jié)構(gòu)非零電導(dǎo)帶能量的分子振動主要表現(xiàn)為光譜遙感物體的光譜特性與其內(nèi)在的理化特性緊密相關(guān),以礦物為例,礦物光譜主要取決于物體內(nèi)電子(Electrons)與晶體場(CrystalFields)的相互作用,以及物體內(nèi)的分子振動(MolecularVibrations)。電子與晶體場的相互作用來源于晶體場作用(CrystalFieldEffects)、電荷轉(zhuǎn)移(ChargeTransfer)、半導(dǎo)體(Semiconductor)和色心(ColorCenters)的影響。在晶體場作用中由于離子(Ion)能級的躍遷會引起吸收特征的變化,但反射光譜主要還是由礦物的差異引起的,它與粒徑無關(guān)。在晶體場作用中,鐵離子扮演十分重要的角色,一方面它在地球上廣泛存在,另一方面Fe2+、Fe3+能夠置換自然界中的Mg2+和Al3+。電子從一個(gè)原子到另一個(gè)原子的轉(zhuǎn)移也會對光譜產(chǎn)生影響,例如Fe-O的電子轉(zhuǎn)移就會引起光譜吸收位置向紫外(Ultraviolet)方向移動。反射光譜吸收邊緣取決于禁帶(BandGap)的寬度,入射的光子(IncomingPhotons)必須有足夠的能量來推動價(jià)帶(ValenceBand)電子進(jìn)入導(dǎo)帶區(qū)(ConductionBand),而在波長方向反射光的急劇增加與帶隙能量有關(guān)。在某些如離子缺失的結(jié)構(gòu)缺陷的情況下,就會產(chǎn)生電子捕獲,如CaF2中的F離子丟失而被一個(gè)電子取代時(shí),就會造成紅綠吸收,而呈現(xiàn)紫色,從而形成了色心。不同物質(zhì)的分子振動對光譜特性有很大的影響,一般的固體物質(zhì)的振動發(fā)生在大于2.5μm波長范圍,Si-O、Al-O的分子振動就發(fā)生在10μm波長范圍。H2O有2.66μm、2.74μm和6.08μm3個(gè)基本的分子振動波長位置。不同物質(zhì)間這種內(nèi)在的微觀差異正是成像光譜儀遙感實(shí)現(xiàn)地物探測的物理基礎(chǔ)。礦物光譜吸收機(jī)理包括金屬陽離子在可見光區(qū)域的電子過程以及陰離子基團(tuán)在近紅外區(qū)域的振動過程。2.1電子處理(1)酶學(xué)法電子在原子或離子能級之間或元素之間的電荷躍遷,產(chǎn)生吸收光譜。常見陽離子的特征吸收位置如下:Fe2+:1.0～1.1μm,0.55μm,0.51μm,0.43μm,0.45μm,1.8～1.9μm;Fe3+:0.87μm,0.7μm,0.52μm,0.49μm,0.45μm,0.40μm;Ni2+:1.25μm,0.75μm,0.4μm;Cu2+:0.8μm;Mn2+:0.34μm,0.37μm,0.41μm,0.45μm,0.55μm;Cr3+:0.4μm,0.55μm,0.7μm;Ti4+:0.45μm,0.55μm,0.60μm,0.64μm;La2+:0.8μm,0.75μm,0.6μm,0.5μm。(2)心的顏色主要為鹵化物(如螢石)。(3)那門是走廊半導(dǎo)體材料(如硫,辰砂,輝銻礦等)。2.2mtt-l1,3.1m陰離子基團(tuán)伸縮或彎曲振動產(chǎn)生基頻、倍頻與合頻。主要陰離子基團(tuán)的振動吸收光譜如下:(1)水:1.875μm,1,454μm,1.38μm,1.135μm,0.942μm。主要為1.4μm和1.9μm。(2)羥基:Al-OH2.2μm,Mg-OH2.3μm。(3)碳酸鹽:2.55μm,2.35μm,2.16μm,2.00μm,1.90μm。3可見-近紅外光譜3.1礦石物譜分析硅酸鹽礦物中,電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅離子的躍遷產(chǎn)生的;振動過程大都是水、羥基產(chǎn)生的。對主要硅酸鹽礦物的光譜特性分述如下:(1)島狀硅酸鹽礦物。橄欖石族(鎂橄欖石、鐵橄欖石、錳橄欖石、鈣鎂橄欖石),化學(xué)式為:(Mg、Fe、Mn、Ca)SiO4,具有1.06μm,0.82μm,1.3μm,0.4μm,0.5μm,0.63～0.65μm二價(jià)、三價(jià)鐵離子譜帶;0.37μm,0.415μm,0.45μm,0.55μm錳離子譜帶;0.73μm鐵錳聯(lián)合譜帶。石榴石族礦物光譜特征見表1。(2)群狀和環(huán)狀硅酸鹽礦物光譜特征見表2。(3)鏈狀硅酸鹽的光譜特征見表3。(4)層狀硅酸鹽的光譜見表4。(5)架狀硅酸鹽的光譜見表5。3.2可見碳酸鹽的紅外光譜碳酸鹽礦物中,電子成因的光譜大都是由二價(jià)和三價(jià)鐵離子、錳離子、銅離子的躍遷產(chǎn)生的;振動過程大都是水,羥基,碳酸根產(chǎn)生的(表6)。3.3價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅和鉻電子成因的性質(zhì)氧化物和氫氧化物礦物中,電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅和鉻電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅離子的躍遷產(chǎn)生的;振動過程大都是水,羥基產(chǎn)生的(表7)。3.4可見硫酸鹽和硫酸鹽的近紅外光譜硫化物和硫酸鹽的礦物中,電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子躍遷以及導(dǎo)帶產(chǎn)生的;振動過程大都是水、羥基產(chǎn)生的(表8)。3.5電子成因的光譜鹵化物、磷酸鹽、砷酸鹽、釩酸鹽和硼酸鹽礦物中,電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅離子和鑭離子的躍遷和鹵化物的色心產(chǎn)生的;振動過程大都是水、羥基、硼酸根產(chǎn)生的(表9)。4巖石巖脈4.1光譜特征及替代成分火成巖的主要成分硅—氧四面體和鋁—氧四面體并沒有光譜特征,其光譜都是雜質(zhì)、包體、蝕變(如長石類的粘土化,云母、角閃石的綠泥石化、綠簾石化等)及替代成分產(chǎn)生的,主要為鐵、水和羥基的光譜(表10)。4.2可見-近紅外光譜特征中性火成巖的可見—近紅外光譜都是雜質(zhì)、包體、副礦物、蝕變及替代成分產(chǎn)生的,主要為鐵、水和羥基的光譜(表11)。4.3可見基性和超基性巖的近紅外光譜基性、超基性火成巖的可見—近紅外光譜都是雜質(zhì)、包體、副礦物、蝕變及替代成分產(chǎn)生的,主要為鐵,水和羥基的光譜(表12)。4.4價(jià)和三價(jià)鐵離子的擴(kuò)增沉積巖的可見—近紅外光譜礦物中,電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅離子和鉻離子的躍遷產(chǎn)生的;振動過程大都是水、羥基、碳酸根產(chǎn)生的(表13)。4.5價(jià)和三價(jià)鐵離子的變遷創(chuàng)造了離子和應(yīng)力的穩(wěn)定性變質(zhì)巖的可見—近紅外光譜,電子成因的光譜大都是二價(jià)和三價(jià)鐵離子和錳離子及銅離子的躍遷產(chǎn)生的;振動過程大都是水、羥基、碳酸根、硼酸根產(chǎn)生的(表14)。5基于地物光譜微細(xì)變化的環(huán)境變化屬性近年來的研究更進(jìn)一步認(rèn)識到,光譜對地物化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的微細(xì)變化非常敏感,地物微細(xì)的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化常常導(dǎo)致吸收位置和吸收形態(tài)的變化。因此,地物的光譜特性在現(xiàn)實(shí)世界中是非常復(fù)雜的。在早期研究中,這成為一大劣勢。隨著技術(shù)的發(fā)展和對地物光譜特性和遷移原因的深入探究及知識的增加,這一劣勢正轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄康匚锘瘜W(xué)成分和結(jié)構(gòu)及自然環(huán)境微細(xì)變化的強(qiáng)大優(yōu)勢?？梢灶A(yù)料,隨著對不同環(huán)境下地物光譜變化特性的深入探究,基于地物光譜微細(xì)變化的環(huán)境變化遙感定量探測的實(shí)用化技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。例如:由巖礦光譜特性提取巖石、礦石形成的成分分帶和溫度參數(shù):Duke(1994)的研究表明,前寒武紀(jì)變質(zhì)瓦克巖白云母因契爾馬克(Tschermak)置換,二八體Alvi的增加導(dǎo)致吸收光譜向短波方向遷移,在缺少其它變質(zhì)級標(biāo)志的情況下,將此運(yùn)用于變質(zhì)帶的劃分