北山方山口地区典型蚀变岩矿的光谱特征研究

　　摘要：利用遥感数据提取蚀变矿物的基础就是熟知不同岩石和矿物的光谱吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化学环境下岩石和矿物的光谱变异特征。北山方山口地区地质演化历史复杂，蚀变岩石类型多样。那么不同岩石和矿物的光谱吸收特征有何特点，跟遥感影像上对应端元的光谱曲线是否吻合呢?另外，何种采集条件下获取的地面岩矿光谱最具代表性呢?就上述问题，笔者对方山口试验区内典型岩矿的光谱特征展开研究。实验结果表明：原位露头岩石样品和原地碎石样品与岩石标样在光谱曲线特征上最为接近，样品表层的沙漠漆对特征峰的吸收深度有一定影响。而岩矿的可见光-近红外光谱主要取决于矿物的成分和分子结构，岩石的物理破坏作用不会导致特征谱带的变化。各蚀变岩石影像端元光谱曲线与其实测光谱曲线所反映的曲线形态和吸收峰位置基本一致，但不同蚀变岩石的光谱曲线相似性很高，因此仅利用遥感影像难以准确识别出蚀变岩石的类别，但利用遥感图像提取含Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-离子或离子基团的蚀变矿物具有较好的可行性。这对遥感蚀变矿物信息的提取起到了理论指导作用。

　　关键词：蚀变岩矿;光谱特征;光谱相似性;ASD;ASTER;CASI-SASI

　　1引言

　　利用遥感数据提取蚀变矿物的基础就是熟知不同岩石和矿物的光谱吸收特征，尤其是要掌握不同物理、化学环境下岩石和矿物的光谱变异特征。自20世纪70年代开始，以HUNT和SALISBURY为代表的国外学者对地球上各大岩石和矿物的光谱特征进行了研究，发现在可见光-近红外光谱区(0.325～2.5μm)，岩石的吸收光谱是由杂质、包体、蚀变矿物及替代成分产生的，其中造岩矿物中Si、A1、Mg、O等主要化学成分并不产生具有诊断意义的反射谱带，但次要矿物中所含的Fe2+、Fe3+、OH-、CO32-等离子或分子基团在电子跃迁和分子振动作用下会在反射谱带中形成特征吸收峰(HUNTGR，1977;HUNTGRetal.，1978;SALISBURYJWetal.，1989;SALISBURYJWetal.，1989)。

　　例如，学者已发现铁离子在0.9μm处具有吸收特征(ROBERTBS，1981);绢云母和伊利石矿物中Al-OH的吸收峰位置与其Al2O3含量呈线性关系(JAMESLPetal.，1993);白云母中Al-OH吸收峰在2217nm处，而黑云母中该峰位则转移到2199nm处(DUKEEFetal.，2010)。中国学者通过对蒙脱石、明矾石、白云母、高岭土、绿泥石等蚀变矿物在可见光-近红外区间的光谱形态与谱位特征进行量化研究，发现二价铁在1.0μm附近吸收谱带强而宽，在0.43μm、0.45μm、0.51μm和0.55μm处亦产生吸收特征;三价铁在0.70μm附近吸收谱带最强(燕守勋等，2003);含Al-OH基团的明矾石、绢云母、伊利石等矿物在2.165μm、2.325μm和2.355μm处具有较强吸收峰(韩剑，2008);含Mg-OH基团的绿泥石、绿帘石、蛇纹石等则在2.125μm、2.315μm和2.365μm处具有强吸收(刘汉湖，2008);含CO32-离子的方解石、白云石等矿物在1.6～2.5μm区间出现5个特征吸收谱带(蒋立军，2011)。

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　　由上可见，利用岩石和矿物的可见光-近红外光谱分析能够有效查明蚀变矿物的吸收特征，而这些特征规律是遥感图像识别蚀变矿物的物理基础，因此十分有必要继续开展岩矿光谱特征的深入分析。笔者所在的研究团队近年利用ASD对从北山地区采集的不同蚀变岩石标本进行光谱测量时发现，不同岩性的样品中绿泥石、绢云母、碳酸盐等矿物的特征谱带吸收位置存在微小位移和差异，如研究成员已通过分析绿泥石样品的氧化物成分与谱带位置关系，发现2250nm附近的吸收谱带随着FeO+Fe2O3含量的增加而向长波方向偏移(YANGMinetal.，2014)。因此，进一步查明这些蚀变矿物吸收谱带的特征，并分析岩矿实测光谱和影像端元光谱之间相似性及匹配度关系，可以为蚀变矿物的遥感识别和提取提供光谱依据。

　　甘肃北山方山口地区自20世纪80年代以来相继发现了方山口、明金沟、新老金厂、拾金坡、花牛山等多个金、银、铜、铅锌的矿床(点)，使该区域呈现出金矿床(点)数量多、成矿类型多样、矿化蚀变特征明显的特点。但该区域地质演化历史复杂，地层从太古宇到中生界出露较全，岩性多样，岩浆活动强烈，蚀变类型有硅化、黄铁矿化(褐铁矿化)、绢云母化、铁碳酸盐岩化和青磐岩化等(李文渊等，2006;田争亮等，2001)。那么，这种复杂背景下，不同岩石和矿物的光谱吸收特征有何特点呢?跟遥感影像上对应端元的光谱曲线是否吻合呢?另外，何种采集条件下获取的地面岩矿光谱最具代表性呢?就上述问题，笔者对该试验区内典型岩矿的光谱特征展开研究。首先，利用美国ASD便携式近红外光谱仪，对区内分布的不同岩石和矿物进行光谱曲线测量，并对光谱采集数据进行分析评价;其次，对研究区分布的典型岩矿样品开展光谱特征分析，包括实测光谱特征分析、遥感影像(ASTER和CASI-SASI)光谱特征分析以及两者的相似性分析。

　　2地面岩矿光谱数据测量与预处理

　　本次实验采用的光谱测量仪是美国ASD公司生产的的FieldSpec光谱仪，该仪器拥有光谱范围宽、光谱分辨率高、光谱采样间隔小等优点，其主要技术指标见表1。光谱测量时为了保证数据精确有效，需要对校正白板、探头观测姿态、观测次数、测量对象规格、光照情况等方面进行严格限制，如测量时要求校正白板表面均匀洁净，探头垂直向下，同一样品光谱数据测量曲线不少于10条，样品规格一般为9cm×6cm×3cm的岩矿捡块样。为方便后续处理，测量的光谱数据均采用ENVI软件支持的Lib格式存储。

　　地面光谱测量布线时，将主要沿有通行条件且横切各地质体的方向布设，其中光谱测量点为路线两侧的地质体，尤其是与成矿相关的围岩和蚀变带，采集样品并测量其光谱曲线，同时对采样位置、样品岩性与蚀变现象、样品采集环境做详细记录和拍照。对于试验区内的典型矿床，则要以设置剖面的形式进行系统采样和光谱测量，采集时剖面布置要垂直于矿体的走向，且剖面要贯穿矿体、围岩和蚀变矿物，沿剖面线详细采集不同地质体的光谱曲线;若矿床区域有探槽揭露的矿体，还需要对探槽内的矿体进行光谱测量，用以分析地面蚀变矿物与下伏矿体之间的对应关系。

　　测量好的地面光谱数据在分析前需要进行数据预处理和混合光谱解算。预处理可通过光谱仪自带ViewSpecPro软件完成，主要包括目标数据选取、反射率转换、噪声去除。其中，目标数据选取指将每个样品的多条测量曲线进行平均，降低数据随机误差，得到样品平均光谱曲线;反射率转换指利用参考白板的辐照度定标参数，将光谱仪实测的目标地物的辐照度数据转换为光谱反射率;噪声去除指采用多项式圆滑，抛物线修正等方法，对反射率曲线进行光滑修正处理，消除系统误差、随机误差和光照误差。

　　混合光谱解算的目的是判定样品所含的蚀变矿物类型。光谱仪采集的岩石光谱曲线通常是多种矿物光谱曲线综合的结果，因此需要进行混合光谱解算。笔者利用SpecMinProVersion3.1软件对样品的光谱进行解算，该软件可以通过对比喷气实验室(JPL)地物标准光谱库辅助判断样品中所含的蚀变矿物。

　　3不同条件下获取的地面岩矿光谱特征对比

　　研究区内虽然地表碎石大多残留原地，但地表风化严重，岩石表层存在不同程度的覆盖物，岩石样品也存在块状与粉末状，部分样品还被沙漠漆包裹，那么这些因素对岩石中特征离子或分子基团的谱带吸收规律是否有干扰呢?如何才能使采集的地面岩矿光谱最具代表性呢?为了解决上述问题，笔者对不同条件下获取的地面岩矿样品进行了光谱特征对比研究。

　　(1)不同出露条件下同类岩石样品的光谱特征。遥感蚀变矿物提取中面对的一个难点就是地表覆盖物的干扰。那么，在地面岩矿光谱测量时，由地表风化或者河流与风力搬运沉积带来的表层覆盖物对岩石和矿物的光谱会产生何种影响?就此问题，本实验以采集的5种不同覆盖环境下的绿泥石化凝灰质火山熔岩为样本，利用ASD对各样品进行光谱测量，对比分析不同出露环境下相同岩石的光谱特征。这5种样品分别为：取块岩石标本样品、原位露头岩石样品、原地碎石样品、薄土覆盖岩石样品(样品表层土层厚度约1～2mm)和浮土覆盖岩石样品(样品表层土层厚度超过3mm)。

　　图1展示了各样品的光谱曲线，可以发现光谱反射率自浮土覆盖样→薄土覆盖样→原位露头样→标本样→碎石样依次降低。其中浮土覆盖样品反射率与其他几种有明显的区别，且羟基吸收峰不明显;薄土覆盖的岩石样品出现很弱的铝羟基(2.170～2.210μm)和镁羟基吸收峰(2.300～2.400μm);原岩露头样的光谱曲线和标样的光谱曲线在吸收位置和吸收深度上基本一致，铝羟基(2.170～2.210μm，2.250～2.260μm)和镁羟基(2.340～2.350μm)吸收峰表现均明显，反映出清晰的绿帘石蚀变特征和绿泥石双峰蚀变特征;碎石样品的反射率最低，但铝羟基、镁羟基吸收峰表现要好于薄土覆盖样，绿帘石和绿泥石蚀变的吸收位置较易识别，吸收深度也与标本样品的光谱曲线接近。另外，受测量过程中大气水汽的干扰，样品光谱曲线在1.400μm和1.900μm附近出现剧烈跳跃现象。

　　由上可见，原位露头岩石样品和原地碎石样品的光谱吸收峰位置与吸收深度与取块岩石标本样品的光谱特征最为接近，较易于识别所含的蚀变矿物;薄土覆盖岩石样品在一定程度上也能反应出蚀变矿物的光谱特征，但吸收峰表现较弱;而浮土覆盖岩石样品基本不能反映标本样品的光谱特征。因此，面对研究区这种岩石风化作用强和岩石露头易被风沙覆盖的情况，样品采集与光谱测量时需要选择能有效反映蚀变矿物特征的的岩石样品开展工作。

　　(2)同一样品在块状与粉末状形态下的光谱特征。同一矿物在不同出露条件下的样品光谱存在较大差异，那么同一岩石样品在块状与粉末状形态下的光谱又有何不同呢?笔者通过岩石破碎作用改变了多个岩石样品的粒径大小，但未改变矿物成分，然后对比不同破碎状态下相同样品的光谱曲线，发现块状岩石和粉末状岩石样品的吸收峰分布特征基本一致(图2)，仅在反射率上略有差别，即粉末样的整体反射率要高于块状样。这个测试结果表明，岩矿的可见光-近红外光谱主要取决于矿物的成分和分子结构，岩石的物理破坏作用不会导致特征谱带的变化。因此，研究区干旱环境下存在的残积原岩碎屑的光谱特征可以代表其下伏原岩的光谱特征。

　　(3)同一样品新鲜面与沙漠漆面的光谱特征。北山地区地表处露的岩石多发育沙漠漆。所谓沙漠漆，就是戈壁基岩裸露的荒漠区，由于地下水上升，蒸发后常在岩石表面沉淀了一层红棕色氧化铁和黑色氧化锰薄膜，像涂抹了一层油漆，故名沙漠漆，在次生氧化作用下多变成红色。

　　为了探究沙漠漆对岩石光谱特征的影响，笔者采集了被沙漠漆包裹的石英和次火山岩样品，测量其新鲜面和沙漠漆面的光谱曲线，对比结果(图3)显示新鲜面的光谱反射率比沙漠漆面的反射率整体要高，沙漠漆面的光谱曲线在0.400～0.600μm谱段内表现出铁离子吸收峰，但在其他谱段内两者的光谱吸收峰位置与深度基本一致。这个结果表明尽管采集样品表明被沙漠漆包裹，但样品还是保留了大部分原岩的光谱特征。.

　　(4)矿体和围岩区域相同蚀变岩石的光谱特征。试验区存在多个典型的金矿床，那么同一矿床区域内，矿体蚀变围岩和矿体外围相同蚀变岩体的光谱特征是否一致呢?本研究从新井金矿床与明水河金矿床分别采集了各自矿体围岩区的蚀变闪长岩和矿体外围区域的蚀变闪长岩，对比其光谱曲线特征。

　　新井金矿床外围蚀变闪长岩(BSY-010)岩性为灰黑色中-粗粒石英闪长岩，沿岩体节理，裂隙发育钾长石化、绿泥石化和黏土化，地表可见有方解石细脉。其光谱测量结果(图4)显示该样品在2.200μm附近有Al-OH吸收峰，深度浅、峰形小;2.250μm处存在一个不明显的Fe-OH吸收峰;2.310～2.360μm附近为Mg-OH吸收峰，深度不大，峰形较差。根据矿物的吸收特征可以判断，2.200μm附近的Al-OH吸收峰表现岩体发育黏土化或绢云母化，2.250μm和2.310～2.360μm两个吸收峰表现岩体发育绿泥石化，经Specmin软件进行光谱解混计算得出其蚀变矿物主要有绿泥石、伊利石、高岭土等。新井金矿的矿体北侧围岩为钾化和绿帘石化的石英闪长岩(BSY-011-2)，光谱结果显示0.8～1.2μm处存在Fe2+离子吸收峰，2.250μm附近有微弱的Fe-OH吸收峰，2.360μm附近的吸收峰深度较大，峰形左宽右窄，可能与绿泥石、方解石的混合有关，经Specmin软件计算得出其蚀变矿物主要有绿泥石、黝帘石和方解石。相比而言，矿体围岩区的蚀变闪长岩光谱曲线比较光滑，而外围蚀变闪长岩数据曲线比较粗糙;围岩蚀变区的样品表现为更强烈的褐铁矿化蚀变。