随着遥感技术的发展, 尤其是高光谱遥感技术的发展, 遥感应用逐渐从定性走向定量。地物波谱测量分析研究是定量遥感的一项关键性基础工作。通过对地物波谱的测试分析来识别和研究岩石一直是遥感地质学的重要领域^{[1, 2, 3, 4]}。岩石的矿物成分、结构、构造、蚀变和共生状态都影响岩石的光谱特征, 对特征光谱发射率谱带的研究是利用热红外多光谱遥感技术提取和识别岩石、矿物信息特征的基础, 而目前对岩石发射光谱特征的研究相对比较薄弱。为此, 本文重点研究8~14 μ m大气窗口范围内的火成岩发射光谱特征, 在包络线消除的基础上得到主要低发射峰特征, 包括低发射峰波段位置、深度、宽度、深宽比、面积和对称性等, 并探讨光谱与岩石矿物组成、化学成分、蚀变特征及共生状态等的关系。本研究可为机载和星载多光谱遥感器最佳地质应用波段的选择以及岩石遥感信息提取与识别的波段组合提供理论依据, 进而为遥感矿产预测和找矿提供依据。

以浙江新昌地区为研究区, 区域地质简图如图1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 研究区地质简图Fig.1 Geology draft map of research area

该区位于中国东南沿海火山-侵入杂岩带的东北端, 区内广泛出露晚中生代火山岩与侵入岩类, 岩石类型丰富, 从基性到酸性有玄武岩、辉绿岩、流纹岩、凝灰岩及花岗岩; 产出方式有岩流、岩墙、复合岩体及复合岩墙等, 是研究复合火成岩光谱特征的理想地区。

本次工作共采集样品5个, 其中流纹岩和花岗岩标本取自新昌儒岙万马渡, 流纹质凝灰岩和辉绿岩取自新昌儒岙白鹤殿, 玄武岩样品取自新昌镜岭。流纹岩墙标本呈肉红色、浅灰色, 流纹平直, 局部呈涡流状, 具斑状结构, 基质隐晶质, 斑晶成分主要是石英, 常被熔蚀成浑圆状或港湾状, 此外也有少量的钾长石斑晶; 花岗岩样品的矿物成分在镜下鉴定结果为: 石英25%~35%, 钾长石55%~65%, 斜长石5%~15%, 含少量黑云母, 局部见有角闪石, 副矿物有锆石、磷灰石、榍石及磁铁矿等; 辉绿岩样品比较新鲜, 具辉长辉绿结构, 斑晶含量很少, 矿物成分主要是斜长石和辉石, 斜长石斑晶出现筛孔, 有一定程度的绿泥石化和绿帘石化; 玄武岩样品呈黑色, 块状构造, 有的具气孔、杏仁构造, 填间结构或少斑结构, 由斜长石、辉石等组成。

首先对取得的岩石标本进行切割, 使其露出平整的新鲜面, 再将岩石样品粉碎至200目以下(约0.12 mm), 并盛放于直径为9 cm的玻璃培养皿中进行测试。热红外测试所使用的仪器由Designs & Prototypes LTD公司生产的102型便携式野外能谱仪, 光谱取样范围为7~14 μ m, 取样间隔约5 nm。测试前先将岩石粉末标本置于实验室内1~2 d, 使其温度与室温一致, 仪器探头需经液氮冷却, 保证其在测试时的探头温度为19.1℃。将样品置于反射率接近零的黑色铁柱体上, 采用光谱仪所带的50 W卤化灯, 入射角为45° (光源覆盖所有可见光近红外波段, 测试时无其他光源, 即在黑屋状态中测试), 光纤探头的采光视场角为8° 。测试时探头垂直向下, 培养皿水平放置于探头正下方约0.7 m处。每个样本测定10次, 取平均值作为其光谱发射值, 以Excel格式存储, 然后在Matlab软件中对所获得的数据进行处理, 得到的结果如图2所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 新昌火成岩发射光谱Fig.2 The emissivity spectra of igneous rocks in Xinchang area

结合岩石化学成分(表5), 比较表1、表3和表4可以发现, 各标本总体的发射率与SiO₂含量呈较明显的线性相关性。由图4可知, 在9 μ m、11 μ m处的低发射率带明显, 在9.8 μ m、12.5 μ m处见有较明显的高发射率带。花岗岩样品在8~10 μ m区域的吸收宽度最大, 这与样品中黑云母含量有关。

在8~9 μ m区域, 所有火成岩样本发射光谱曲线形态较相似, 都在8.2 μ m和8.8 μ m附近存在由主要矿物成分石英和粘土中的Si-O基团伸缩振动引起的双重低发射率, 且低发射率谷的深度与SiO₂呈较好的线性关系。SiO₂含量越高, 波谷越浅, 且波谷位置随着SiO₂含量的降低向长波方向移动, 同时, 镁铁等暗色矿物的增加也导致了低发射率带向长波方向移动^[8]; 在8.4 μ m附近, 花岗岩、凝灰岩和流纹岩存在一个很小的由岩石中所含的石英引起的低发射率谷^[14]。

曲线在9.2~9.4 μ m处存在一些差异, 流纹岩、辉绿岩和玄武岩在此处有一个较弱的低发射率带, 而花岗岩和凝灰岩却没有这个低发射率带。比较测试5个样品的化学成分(表5)以及矿物种类和蚀变情况, 这个低发射率带主要由含镁铁矿物引起(玄武岩为含铁的橄榄石和辉石共同引起, 辉绿岩应为辉石和角闪石共同引起^[15], 流纹岩为其所含的蚀变石英引起^[14])。花岗岩、流纹岩和辉绿岩还因绿泥石化导致了在10.5 μ m处存在一个很小的低发射率波谷。

表5

Tab.5

表5(Tab.5)

表5 新昌火成岩主要化学成分测试结果 Tab.5 The geochemical components of igneous rocks in Xinchang Area(%) 样品 采样地 主要化学成分及其质量分数 ω (SiO2) ω (TiO2) ω (Al2O3) ω (Fe2O3) ω (FeO) ω (MnO) ω (MgO) ω (CaO) ω (Na2O) ω (K2O) ω (P2O5) 流纹岩 儒岙万马渡 77.48 0.08 12.73 0.34 0.72 0.11 0.09 00.18 2.99 5.20 0.002 花岗岩 儒岙万马渡 76.51 0.11 12.56 0.59 0.49 0.07 0.14 00.42 3.90 4.67 0.010 凝灰岩 儒岙白鹤殿 74.15 0.25 13.26 1.04 0.64 0.04 0.42 01.27 2.83 5.36 0.050 辉绿岩 儒岙白鹤殿 51.76 1.08 16.13 5.01 4.92 0.21 5.54 08.32 3.74 1.78 0.250 玄武岩 镜岭 42.89 1.21 15.66 9.22 0.79 0.18 1.43 12.81 4.12 2.41 0.370

表5 新昌火成岩主要化学成分测试结果 Tab.5 The geochemical components of igneous rocks in Xinchang Area(%)

在9~13 μ m区域, 新昌各火成岩样本中酸性岩低发射率带吸收深度也基本都大于基性岩的吸收深度, 低发射率带位置均出现在10.9 μ m附近。从各标本的矿物组成及表3中矿物的低发射率带位置来看, 样本在9~13 μ m区域低发射率带原本应出现在10 μ m处, 而实际出现在10.9 μ m处, 引起其低发射率带向长波方向移动的原因是部分硅氧四面体中的Si原子被Al置换。对于基性岩, 其铁镁质矿物含量较高也是引起低发射率带向长波方向位移的原因之一。表4中花岗岩样品谱带深度明显比其他样品的浅, 并且与辉绿岩样品光谱特征相似, 这可能与两者的共生状态有关。从样品化学成分及矿物组成来看, 玄武岩、辉绿岩样品中方解石杏仁体含量较多, 挥发分较高, C O32-含量也相对较高, 而钙质胶结物和粘土矿物的存在则会导致11.3 μ m处C O32-基团内部基谐振动谱带的出现。玄武岩、辉绿岩样品中Al、Fe、Mg的含量高, 而通常Al替代Si会引起谱带向长波方向移动, 并且随着镁离子含量的增加, 低发射率谱带也会向长波方向移动。因此, 玄武岩、辉绿岩样品在11.8 μ m附近小的低发射率带很可能是由C O32-基团内部基谐振动向长波方向移动的结果。此外, 在12.8 μ m附近辉绿岩跟玄武岩样品存在一个低发射率带, 而其他3个样品没有, 可能与岩石中所含的镁铁矿物有关。

总之, 样本中SiO₂和Al₂O₃的含量是决定样品发射光谱曲线形态的主要因素; 而Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO等由于含量低, 对光谱曲线形态的作用没有前两者之大, 只是对曲线有一定的影响。同时低发射率带与SiO₂含量有较为明显的关系: 酸性岩中SiO₂含量高, Si-O基团振动引起的低发射率带波谷深; 基性岩中SiO₂含量低, Si-O基团振动引起的低发射率带波谷相对较浅。基于此, 可以大致区分超基性、基性、中性以及酸性岩。同时低发射率带深度也受其他因素影响, 花岗岩样本的两个低发射率带深度都比较浅, 这可能是其与辉绿岩的共生状态引起微量元素相互交换^[16]有关。

(1)研究区岩石的热红外光谱曲线形状大体相似。

(2)在包络线分析基础上进行光谱低发射峰的定量分析, 有利于比较仅靠光谱曲线很难区分的光谱特征差异。

(3)对发射光谱两个主要低发射峰进行了定量分析, 发现岩石的矿物组成、蚀变特征及共生状态对其波谱曲线形态有较大的影响。

(4)把遥感光谱定量分析的两个谱域(9 μ m附近和11 μ m附近)延伸到全谱域(8~14 μ m)将有助于对区内岩石和矿物发射光谱特征及其影响因素的进一步了解, 利于开展通过遥感数据提取和识别岩石信息等工作。

致谢: 衷心感谢浙江大学农业信息科学与技术中心、浙江省农业遥感与信息技术重点研究实验室提供的实验条件和无私帮助!