2 200 nm波长位置的Al—OH基团振动特征对斑岩成矿系统矿床的找矿勘查意义重大。 采用ASD便携式光谱仪测量了西藏自治区铁格隆南斑岩-高硫化浅成低温热液型、 甲玛斑岩-矽卡岩型、 斯弄多低硫化浅成低温热液型三种不同类型, 且具有典型蚀变矿物分带特征的15件岩心样品。 测量结果显示： (1)总体光谱反射率表现为铁格隆南45%～70%, 甲玛38%～58%, 斯弄多27%～56%, 差异值在5%～15%之间, 说明高硫化浅成低温热液型→斑岩型→低硫化浅成低温热液型矿床中组合蚀变矿物的含水量逐渐增加; (2)高硫化浅成低温热液矿床平均反射光谱在2 200 nm附近呈双峰结构, 另外两类呈单峰结构, 这是地开石-高岭石组合与白(绢)云母-伊利石矿物的显著差异; (3)二阶导数增强后的低硫化浅成低温热液型矿床平均反射光谱在2 200 nm的吸收深度呈负值, 光谱对称性和吸收指数都比较低; (4)GaussAmp函数对2 200 nm具有单峰结构的光谱拟合效果极佳(R2接近1), 可作为替代白云母族矿物2 200 nm附近光谱吸收特征的模拟数学函数。 通过光谱分析发现： 斑岩成矿系统不同矿床类型中2 200 nm波长位置的矿物吸收峰, 光谱参数具有显著差异性, 一方面, 低硫化浅成低温热液矿床中伊利石-蒙脱石矿物的大量存在导致光谱反射率总体较低, 水分子吸收电磁波谱后呈现出相对低值的光谱对称性和吸收指数; 另一方面, 高硫化浅成低温热液矿床的平均波谱曲线仍然保存了高岭石-地开石矿物的双峰结构, 这也成为浅成低温热液矿床不同硫化度识别的标志性特征。 该项研究亦可应用于航空、 航天高光谱遥感地质勘查中, 利用2 200 nm单波段识别、 判读斑岩成矿系统中不同矿床类型蚀变矿物组合的依据。

研究对象是一种与“冻地”鸡血石外观高度相似的玉石, 该种玉石半透明“地”中含有橙红色矿物。 利用X射线粉晶衍射仪、 扫描电子显微镜、 红外光谱仪、 拉曼光谱仪对该玉石的宝石学及谱学特征进行研究。 结果表明: 该玉石“地”的主要组成矿物为有序度较高的地开石、 橙红色矿物为雄黄; 地开石晶体为自形假六边形片状, 约15～20 μm, 厚2～4 μm, 粒径均一且形态一致, 集合体在三维空间无序排列; 部分样品“地”中含有少量黄铁矿、 萤石、 石英、 方解石等矿物。 “地”的红外光谱指纹区具有高岭石族矿物的主要特征峰, 分别位于430, 470, 540, 698, 755, 795, 913, 937, 1 002, 1 034和1 118 cm-1; 官能团区以3 622, 3 653和3 706 cm-1处的吸收峰为特征, 3 622 cm-1吸收峰由内羟基OH1的面内伸缩振动引起, 3 653 cm-1归属于内表面羟基OH2和OH4的同相伸缩振动; 从高频峰到低频峰强度依次增大, 且内表面羟基OH3伸缩振动引起的吸收峰位于3 706 cm-1, 表明“地”为有序地开石; 拉曼光谱测试表明“血”为雄黄, 具有186, 222, 235, 273, 346和355 cm-1的特征拉曼位移, 其中186和222 cm-1归属于S—As—S的弯曲振动, 346和355 cm-1由As—S的伸缩振动引起; 拉曼光谱同样可用于“地”的矿物组成研究, 低频区具有133, 241, 266, 336, 436, 463, 747, 792和914 cm-1的高岭石族矿物的特征位移, 高频区可见三个与红外光谱相似的阶梯状谱峰, 3 624 cm-1强度最大, 归属于OH1的伸缩振动, 次强峰3 646 cm-1由OH2和OH4的同相伸缩振动引起, 归属于OH3的伸缩振动峰强度最小且位于3 706 cm-1, 高频区拉曼位移特点指示“地”为地开石, 且有序度较高, 与红外光谱测试结论一致。 尽管研究样品的“地”与“冻地”鸡血石的主要组成矿物相同, 为地开石, 且具有外观细腻、 温润等特点, 但其“血”并非辰砂而是雄黄, 所以不应与鸡血石混淆, 其正确的珠宝玉石名称应为“粘土矿物质玉”。

准确认识不同种类的岩石特征对地质构造、 结构与年代的判断至关重要。 常规光学显微手段虽然可以对岩石的颜色与表面形貌进行直接观测, 但是对岩石种类的判断往往凭靠经验, 一些颜色相近的矿物容易混淆, 所得结果并不准确。 光谱方法能够在不同频段给出样品的多个光学参数信息, 通过建立光学参数与样品自身物性的联系, 可以从多个维度确定样品的性质, 从而有望实现对不同矿物成分与含量定性、 定量评价。 太赫兹光谱具备一定的穿透能力, 能够透过一定厚度的岩石, 是研究岩石物理性质的合理手段。 基于太赫兹光谱技术, 对取自不同地区的花岗岩、 灰岩、 砂岩和油页岩样品进行测试, 分别计算得到每个样品的等效折射率n、 衰减系数a, 并以a为横坐标、 n为纵坐标作图, 结果表明, 相同岩性岩石的n与a基本呈线性相关关系, 而对于不同类型的岩石, 其n随a的线性变化趋势存在明显区别。 进而研究了岩石中的组成、 结构等信息与其太赫兹光谱响应的联系, 分析了不同岩性岩石的光谱响应机制, 结果表明: 花岗岩与灰岩的结构较为致密, 其矿物组成是影响太赫兹光谱响应的主要因素, 利用太赫兹参数能够估算岩石中铁、 镁元素的相对含量; 砂岩的成分较为单一, 太赫兹光谱响应受孔隙度的影响; 而对于油页岩来说, 由于有机质具有强吸收、 低折射率的特点, 其有机质含量越高, 折射率越低, 对太赫兹吸收越强。 结果表明, 太赫兹光谱技术有望成为岩石物理性质现有研究手段的合理补充, 为其评价、 分析提供新技术、 新指标, 有着极其光明的应用前景。

地物和大气中目标的反射、 散射、 透射及辐射具有的偏振特性, 可以用于解决部分传统光学探测器无法解决的问题, 已被广泛应用在**、 环境、 农业、 医药等诸多领域。 在地质学方面, 前人对偏振特性的研究主要集中在岩石学上, 即利用岩石的偏振特性区分不同的岩石类型, 以及通过造岩矿物的偏振差异解释导致岩石偏振差异的内因。 这些研究为基础地质的岩性解译工作提供了重要参考。 然而, 在地质学另一重要分支——矿床学领域, 有关偏振特性的研究还十分薄弱。 由于矿床学关注蚀变矿物和蚀变带, 如不掌握蚀变矿物的偏振特征, 偏振技术将无法在矿床学领域得到推广和应用。 针对前人在蚀变矿物偏振特性研究上的不足, 在传统可见光光谱测量基础上, 利用自主研发的偏振光谱测量系统和数据处理软件, 以9种斑岩型矿床蚀变带中的特征蚀变矿物、 3种短波红外盲区蚀变矿物、 2种可见光盲区蚀变矿物为研究对象, 开展了系统的偏振光谱测量和对比研究。 结果表明: 斑岩型矿床的钾化带、 青磐岩化带、 绢英岩化带和高级泥化带特征蚀变矿物在偏振光谱上存在较为明显的不同, 表现为偏振曲线的对称性、 变化趋势和偏振度强度三方面的差异, 可据此对不同蚀变矿物进行识别, 进而划分蚀变带。 研究还发现: 石英、 萤石、 钾长石三种短波红外盲区矿物, 以及方解石、 白云石两种可见光盲区矿物的偏振特性存在明显差异, 说明通过给光谱仪增加偏振系统可有效提高光谱仪辨识矿物的能力, 这对研发新一代小型化光谱仪, 以及将光谱仪运用于矿产勘查具有重要的指导意义。 该研究还说明, 偏振光谱在矿床学领域具有重要的研究价值, 在矿产勘查方面具有很大的应用潜力, 应当积极开展更为深入、 系统的研究和实践。

以ChemCam团队公布的64个飞行前定标样品的浓度和激光诱导击穿光谱数据为对象,通过使用主成分分析载荷空间距离法对特定元素分析,筛选出对该元素最敏感的激光诱导击穿光谱谱线,并以此为依据进行矿物元素种类和丰度识别,其识别精度高达92.8％.结果表明,主成分分析载荷空间距离可以作为定量分析前矿物特定元素信息和元素丰度的判断依据.该方法降低了岩石/矿物分类的难度,有利于实现未知的矿物快速、高效的鉴别分析,为火星表面岩石种类鉴别分析提供了一个有效的策略.

尽管纯矿物的反射光谱特征分析与数据库建设工作已经开展, 但土壤中各原生矿物、 粘土矿物的测试主要是定性的, 即能测定土壤中含有何种矿物, 但难以测定准确的矿物组分含量。 土壤矿物是土壤学与地质学的交叉点, 易被忽视, 特别是已有研究忽略了土壤矿物对土壤反射光谱曲线的影响。 探讨了土壤矿物在可见光-近红外光谱部分(400~2 500 nm)对土壤反射光谱特征的影响, 明确影响土壤反射光谱特征的主要机理。 土壤样本于2014年采集于松嫩平原黑龙江部分, 包括4个土类和7个土属, 共54个土壤样本。 土壤样本通过研磨、 过筛后, 在室内暗室中测得反射光谱数据, 土壤矿物的反射光谱数据在2017美国地质调查局(USGS)最新矿物光谱库Spectral Library Version 7中获得, 对反射光谱数据进行九点平滑、 10 nm重采样和去包络线处理。 土壤矿物含量测试采用荷兰Philip X’ Pert Pro 型X射线衍射仪分析样品的矿物组成, 测试了土壤中石英、 长石、 方解石和闪石等原生矿物和蒙脱石、 伊利石和高岭石等粘土矿物的含量。 首先分析7个土属的反射光谱特征, 明确每个土属反射光谱曲线的形状特征和吸收位置, 其次分析土属的矿物含量情况, 找出不同土属各矿物含量的共性和差异; 再次分析不同粘土矿物和原生矿物的反射光谱特征, 确定不同土壤矿物反射光谱曲线的形状特征和特征吸收的位置; 最后将不同土属的反射光谱特征、 不同土属的矿物含量情况和土壤矿物的反射光谱特征结合, 得到如下结论: (1)土壤矿物决定了土壤反射光谱的骨架特征, 土壤矿物对土属的反射光谱影响最明显, 由于土类存在多种反射光谱特征, 土壤矿物对土类的影响不明显。 (2)粘土矿物对土壤反射光谱特征的影响大于原生矿物, 主要受蒙脱石和伊利石等粘土矿物的影响, 但砂性土受部分原生矿物的影响, 主要是长石类矿物和高岭石的影响。 (3)蒙脱石和伊利石分别决定土壤反射光谱的第一个吸收谷和第二个吸收谷特征, 高岭石决定1 400和1 900 nm前的两个小吸收谷特征, 钾长石和钠长石决定了砂性土的前两个吸收谷特征。 (4)蒙脱石含量足够高时, 会完全掩盖高岭石和长石类的反射光谱特征, 部分掩盖伊利石的反射光谱特征; 随着蒙脱石含量降低, 伊利石的反射光谱特征逐渐体现; 蒙脱石和伊利石的含量降到很低时, 高岭石和长石类矿物的反射光谱特征逐渐体现出来。 研究结果揭示了不同土属反射光谱特征差异的原因, 可以为土壤反射光谱分类、 土壤精细制图和基于高光谱图像的矿物分布研究等提供理论依据。

近期在市场上出现了许多与绿松石相似的天然矿物, 市场上俗称绿松石“伴生矿”, 被商家作为天然绿松石的特殊品种售卖。 这些与绿松石外观极为相似的天然矿物, 给鉴定工作带来了一定的困难。 为了探索识别的方法, 选取市场上常见的白色和黄色品种的天然绿松石伴生矿, 通过常规宝石学测试, 红外吸收光谱及X射线粉晶衍射对其宝石学特征及矿物组成进行了分析和研究。 结果表明: 白色系和黄色系天然似绿松石矿物样品均显示不同程度的土状光泽-弱玻璃光泽, 均不透明, 结构比较疏松。 白色系样品折射率约为1.51, 相对密度为1.86～2.28; 黄色系样品折射率约为1.57～1.60, 相对密度为2.32～2.72。 白色和黄色天然绿松石伴生矿的组成类型复杂, 同色系样品的矿物组成也不尽相同。 X射线粉晶衍射测试结果显示: 白色系样品的主要矿物为磷铝矾和磷钙铝矾; 黄色系样品的主要矿物为钠明矾石。 白色和黄色系样品的红外吸收光谱均显示有SO4/PO4的基团振动, 峰形、 峰位区别较大。 根据不同样品的主要矿物组成特征, 将其红外吸收光谱进行分类, 可对其进行快速有效的无损鉴定。

为了分析云南楚雄新发现粘土矿中主要矿物组成, 确定其主要矿物是否是凹凸棒石粘土, 对其五种样品进行了红外光谱与X射线荧光光谱的测试与研究。 结果发现, 3 437 cm-1处的吸收带是凹凸棒石粘土中的结晶水的羟基振动引起的, 3 621和3 651 cm-1处的吸收带是与凹凸棒石粘土孔道边缘的Mg, Al八面体相连的结构水的羟基的对称和不对称伸缩振动产生的; 3 699 cm-1处的吸收峰是与结构内部的四面体结构和八面体之间的Mg, Al相连羟基的伸缩振动; 1 633 cm-1处的吸收峰是结构水与吸收水羟基弯曲振动的吸收峰; 1 010 cm-1处的吸收带是共价键Si—O—Al的Si—O键的特征峰, 913 cm-1处的吸收带是二八面体的羟基(Al2OH)的变形振动的特征吸收峰。 表明: 粘土矿的五种样品均含有较高凹凸棒石粘土成分; 三种黑色样品的中红外光谱与谱库中凹凸棒石粘土谱图比对的相似度在93%以上, 三种黑色样品含凹凸棒石粘土成分很高, 五种粘土矿样品的主要矿物均是分子式为Al5Si8O20(OH2)4·4H2O的凹凸棒石粘土粘土矿样品的凹凸棒粘土的。

矿物光谱特征是基于光学遥感数据对矿物进行种类识别及定量反演的理论基础, 光谱特征提取是高光谱数据常用的技术手段, 但在多光谱数据中较少涉及。 近似矿物识别是矿物光谱分类应用中的难点, 目前还缺少有效指标来指示近似矿物类别光谱的差异性。 光谱特征提取有望提高矿物分类精度, 但该处理对近似矿物光谱差异性的影响还缺少相关研究。 本文从矿物光谱差异性的原理出发, 通过类间和类内光谱角的比值体现不同类别群体差异, 并引入样本量因素, 提出了类别可分比作为近似矿物光谱差异性的指标。 以明矾石和高岭石两种近似矿物为例, 对USGS光谱库光谱及Hyperion, ASTER, OLI等传感器的模拟数据进行光谱特征提取处理, 通过对比处理前后矿物光谱差异性的变化, 分析光谱特征提取对近似矿物光谱差异性的影响。 实验结果表明, 有效的光谱特征提取可以显著提高近似矿物光谱差异性, 并且光谱分辨率越高, 近似矿物光谱差异性越大。 此外, 光谱分辨率及中心波长设置对于包络线去除结果有很大影响, 多光谱数据吸收特征提取效果有待进一步提高。 该研究为今后近似矿物光谱识别精度的提高奠定了基础, 也为未来新型遥感找矿传感器参数设置提供了参考。