低温热液蚀变矿物的近红外光谱特征及其应用 南京地质矿产研究所 1、矿物近红外分析法的原理和应用概况 2、便携式近红外矿物分析仪原理及应用 3、常见低温热液蚀变矿物嘚光谱特征 4、几种应用实例 一、矿物近红外分析法的原理和应用概况 1、近红外波长范围 1100nm～2500nm（或780-2500nm） 2、矿物的近红外光谱特征 矿物晶格中原子間的化学键的弯曲和伸缩吸收某些区域的近红外光谱根据矿物某些官能团在近红外区域的特征吸收光谱可以区分不同的矿物及同一矿物嘚不同结晶度。 3、矿物中不同官能团吸收频率分布范围 可见光：400nm-1100nm,氧化物 近红外：1100nm－2500nm,层状硅酸岩矿物等 热红外：8000nm-12000nm,不含水 4、矿物对近红外光谱產生吸收的官能团种类 氢基团C-H (甲基、亚甲基、甲氧基、羧基、 方基等) 羟基O-H，巯基S-H氨基N-H等 5、典型应用范围：1300nm～2500nm 6、近红外光谱可以区分矿粅种类 含羟基之层状硅酸盐矿物（包括链状结构闪石等） 硫酸盐矿物（明矾石，石膏等） 碳酸盐矿物（方解石白云石等） 铝的氧化物和氫氧化物 7、地质中的应用 矿物识别：尤其是粘土矿物的鉴定； 矿物填图：钻孔和隧道编录，蚀变填图和目标区选择； 成矿作用指示成矿潛力评价； 辅助遥感图片的判别； 矿物地球化学和结晶学研究； 采矿中的品位控制，下脚料中粘土含量监测等 8、相关的地质意义： 1）提供矿化环境的特征，如交代类型和交代带等 2）鉴别原岩类型：鉴别高岭石，表明其原岩是长英质岩石发现蒙脱石表明原岩是镁铁质岩石 3） 指示矿化关系，富镁的绿泥石接近矿化中心富钾的白云母和矿化关系更密切 4）指示风化范围和过程，如三水铝石表示晚期的铝土质環境 5）指示矿化作用的化学过程（如K/Na交代）及温度（叶腊石黄玉，地开石等矿物是高温矿物） 6）指示热源的方向 二、国产便携式近红外礦物分析仪的结构及应用 1、仪器结构 2、单色仪光路 3、积分球 4、电子电路 5、底层软件 仪器测量范围 ：1300nm-2500nm； 仪器分辨率 ：〈8nm； 波长稳定性 ：±1nm； 波长重复性 ：±1nm； 波长扫描间隔 ：2nm,4nm； 信噪比 ：63dB； 探测器 ：PbS(Te制冷)； 仪器体积 ：255×110×187； 仪器重量 ：4.2kg； 备用电源 ：〉2小时 ; 软件 ：PC机应用程序 7、控制和测量软件 8、数据处理软件 仪器测量方式 1、测试前准备：本底扫描、参比扫描、标准扫描 2、定 性 扫 描 ：蚀变矿物识别 3、半定量扫描：礦物含量分析 4、建 库 扫 描 ：建立工作区特征数据库 数据建模与成图 1、数据建模： 一维数据建模和二维数据建模 2、数据成图： 等值线图、立體模型、光谱成像 1、一维数据（钻孔数据或沟槽数据）建模 2、二维数据（地表数据）建模 3、等值线图 4、立体模型 5、光谱成像 三、矿物的近紅外光谱特征 1、典型蚀变矿物光谱图 2、常见蚀变矿物及化学式 3、常见矿物倍频及合成频率位置 4、蚀变矿物光谱特征 2）Fe-OH矿物，硫酸盐矿物 Fe-OH矿粅 nm为特征吸收 在矿物组成中Fe离子是重要元素之一。其代表矿物有明矾石、黄铁钾矾囊脱石，皂石锂皂石、石膏、纤铁矿、菱铁矿、陽起石、直闪石和石榴子石等，特别指出的是铁氧化物的吸收峰一般在1100nm前，而现有的矿物分析仪波长范围1300－2500nm因此有的矿物无法测到，泹上述的代表矿物可以进行检测.明矾石在1420nm处有OH＋H2O二者合成峰，Fe-OH特征峰K明矾石在2210nm处Na明矾石：nm处；黄铁钾矾Fe-OH特征峰在nm；石膏：Fe-OH特征峰是1449、1489與1550nm三个重叠峰，这也是石膏的标志峰 3） Mg-OH矿物： nm为特征吸收峰 含有Mg-OH的代表矿物有绿泥石、滑石、绿帘石、角闪石、阳起石、金云母、蛇纹石、透闪石和黑云母等。 Mg-OH矿物在1390－1420nm内都有OH＋H2O二者合成峰

本发明涉及遥感图像处理领域特别是涉及利用遥感技术生产岩石分类图，更进一步是用光谱特征进行岩性分类的方法

岩石分类是根据岩石的一些特征属性，即颜色、荿分、构造、特殊矿物等对岩石进行归类其目的地是为了进行地质填图，寻找矿物等地质工作者常通过实地勘探，人工对岩石进行分類后然后制作岩石分类图。这些方法都会耗费很多时间、人力和物力随着遥感技术的发展，人们逐步将遥感技术应用到岩性分类中楿比其他分类方法，遥感岩性分类效率较高周期较短。

遥感岩性分类的原理是根据岩石矿物的光谱特性进行地质解译从而提取岩石信息。通过对遥感影像数据处理和分析研究岩石的矿物、结构构造、化学成分和纹理等特征。喀斯特区域内的主要岩性中的碳酸盐岩、砂岩、页岩中都含有大量的相似矿物在分类时会产生有异物同谱的现象，所以通过遥感影像解译准确度不高虽然近年来关于遥感岩性识別法很多，但存在几个明显的局限性：

(1)如多源信息融合法虽然可以利用不同数据的优点进行岩石分类但是有些数据成本较高，不适用于夶区域范围内的岩性识别

(2)如纹理分析法虽然有效地提取岩性信息，但是工作量大效率低。

(3)如模式识别法一般是针对特定的几种矿物和岩石进行分类识别应用面相对狭窄。

本发明的目的是提出一种利用光谱特征进行岩性分类的方法能够有效地提取岩性信息，有效的提高了因异物同谱而引起的分类误差利用岩性特征进行分步解译，有效的解决了遥感解译困难区域尤其是喀斯特地区利用遥感影像解译岩性准确度偏低的问题

1.首先进行波谱分析，通过波段比值法提取碳酸盐岩波段比值法是应用于多光谱遥感图像的数值处理方法，可以增強岩性的光谱特性并计算吸收带与反射带的比率它确定不同波段的像素亮度比率，然后使用比率创建新图像

2.结合区域地质图有针对性嘚建立训练区域，通过波段比值法提取碳酸盐岩后从地质图中选择并建立其他几种岩性的训练区域(页岩，大理岩砂岩，花岗岩和玄武岩)利用波谱特性，并使用监督分类方法分类出页岩和大理岩

3.采集训练区岩石样本的波谱并建立波普库，通常某种岩性的岩石与其他类型的岩石混合在一起例如砂岩和页岩，因此不容易对它们进行分类这意味着USGS对“纯岩石或矿物”进行“理论上”测量的光谱库不足以表达研究区域中岩石的光谱特征。为此本发明采集训练区域岩石样本的光谱曲线并建立波谱库。

4.不同的物质成分会对岩石的光谱产生不哃的影响但具有相同成分和岩性的岩石具有相似的光谱曲线，直接利用光谱特征很难进行分类因此，本发明通过分析各类岩石的光谱特征创新性的进行波谱计算，得出一种有效的岩性分类方法从而分类出砂岩和花岗岩。

5.上述分类进行之后再使用最小距离分类法进荇监督分类，分类出玄武岩之后剩余的区域为其他面积分布较小的岩类。

图1是本发明的技术路线图

图2是本发明选取的实验训练区域。

圖3是本发明建立的波谱库

图4是本发明利用波谱特性计算的结果图。

图5是本发明利用波谱特征进行岩石分类的结果图

本说明书所描述的實施例仅仅是本发明中的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提的條件下所进行的其他所有实施例,都属于本发明的保护范围下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本实施例中,我们选取广覀地区(典型的喀斯特地貌)的影像进行岩性分类该影像为Landsat 7ETM+，结合1:20万广西地质图和训练区域岩石样本

具体实施中,本发明所提供方法的具体運行步骤可以技术路线图(图1)。

步骤1首先要准备数据，下载Landsat 7ETM+影像准备1:20万广西地质图，采集训练区域岩石样本并对Landsat 7ETM+影像进行一系列的预處理工作，如修复坏道大气和几何校正等

步骤2，进行波谱分析通过波段比值法提取碳酸盐岩。碳酸盐岩中主要矿物即方解石和白云石的光谱在1.545-1.755μm之间相对平坦，在2.075-2.351 μm之间出现明显的吸收峰碳酸盐岩在ETM+影像中band 5在1.750μm处有一个吸收峰，band 7在2.130μm与2.220μm两处各有一个吸收峰即用這两个波段的比值进行分类。

步骤3通过波段比值法提取碳酸盐岩后，从1：20万地质图中选择并建立其他五种主要岩性的训练区域(图2)利用波谱特性，并使用监督分类方法分类出页岩和大理岩

(1)确定1：20万地质图中的五种类型的岩性分布。

(2)使用1：20万地质图中每种岩石的坐标找箌Landsat 7 ETM+图像中的相应位置/区域。记录相应的特征和光谱特征例如，可以通过解释1：20万地质图来确定五种类型岩石的覆盖范围及其坐标然后找到Landsat 7 ETM+图像中的相应位置。

(3)重复第二步找到研究区内的各种岩性，并记录其特征和光谱曲线

步骤4，采集训练区岩石样本的波谱并建立波普库为了进一步对这些岩石进行分类，通过ENVI 5.0收集实验室测量的光谱曲线本发明实施例在0.4μm 至2.4μm的光谱范围内进一步重新采样这些光谱曲线。最后创建了七种岩石样本的光谱曲线，如图3所示

步骤5，本发明实施例通过分析各类岩石的光谱特征通过波谱分析、波谱计算，得出一种有效的岩石分类方法从而分类出砂岩和花岗岩。

花岗岩、砂岩、玄武岩的计算方法分别如下：

其中s1代表石英的光谱曲线s2和s3汾别代表石英斑岩和花岗斑岩的光谱曲线，s4和s5分别代表石英白云石和砂岩的光谱曲线，s6分别代表石英和辉绿岩的光谱曲线s7代表玄武岩嘚光谱曲线。本发明实施例通过上述公式计算的花岗岩砂岩和玄武岩的光谱曲线结果如图4所示。

步骤6通过最小距离分类法进行监督分類，使用ROI工具选取训练场利用最小距离法进行计算。然后对分类结果进行二值化计算和掩膜计算裁剪出玄武岩的分类结果，分类出玄武岩之后剩余的区域为其他面积分布较小的岩类。本发明实施例的分类结果如图5所示