Question

地质蚀变遥感异常提取的光谱学基础

Answer 1

近30年来，许多国内外学者进行了岩石和矿物波谱特性的大量研究工作，这些研究涉及晶体场理论的矿物学、固体物理学、量子力学和遥感岩石学等众多领域。矿物岩石的各种光谱特征均起因于电子振动过程，大多数矿物的主要成分在VNIR区不产生吸收谱带。因此，VNIR区所获信息来自为数不多的几种结构离子和置换离子的电子振动过程以及数目有限的阴离子基团的振动过程。也就是说，在可见光至短波红外光谱区（0.325～2.5μm），主要造岩矿物中的主要化学成分（Si，Al，Mg，O）不产生具有诊断意义的反射谱带。在岩石矿物中含量不多的含有Fe²⁺，Fe³⁺，OH^-，等离子或离子基团的蚀变矿物，形成了具有诊断意义的反射谱的特征吸收谷，这是提取矿化蚀变异常的矿物学和波谱学前提。需要特别指出的是，Hunt和他领导的实验室在20 世纪70 年代系统地进行了近300多个粒状矿物的波谱测试，并系统地发表了关于矿物岩石波谱测试结果的文章，还利用其测定结果成功地制成了一张“光谱特征标记图（Spectral Signature diagram）”（图8-1），其研究结果可以较简便地解释TM遥感数据中常遇到的矿物光谱特征。Hunt（1978）以上述实验研究为基础，归纳出对遥感解释极为重要的结论：

图8-1 光谱特征标记图

（1）主要造岩矿物的主要成分，即硅、铝、镁和氧，其振动基频在中红外和远红外区，波长位于10μm附近或更长区域，第一倍频也在5μm附近或更长区域，高倍频谱带强度太弱，所以在可见—近红外（VNIR）区不产生具有诊断性的谱带。

（2）岩石中的次要成分，如铁杂质或蚀变矿物，可占据岩石谱带中的优势地位。换言之，在可见及近红外区中，天然矿物和岩石最常见的光谱特征是由不同形式存在的铁产生的，或者是由水、OH^-基团或基团产生的。关于它们的波谱特征将在下文较细致地加以讨论。

（3）热液蚀变矿物在短波近红外波段具有诊断性强吸收特征。它们是纯矿物本身固有的特征。不同矿物混合在一起组成岩石并不能改变矿物的波谱特征，因此岩石的波谱是组成岩石的纯矿物波谱的线性组合，但某种矿物吸收特征的强弱不但取决于其含量，还取决于辐射能量的可接近程度。例如某一矿物被透明矿物所包围时，其吸收特征就较强，反之亦然。吸收特征的尖锐程度取决于矿物的结晶程度，结晶程度越好，吸收特征就越明显。

（4）绝对反射率和谱带的光谱对比度，对矿物颗粒大小非常敏感。对透明物质来说，粒级越小，总反射率越高，但光谱对比度降低；而不透明物质，粒级越小，反射率越低。

本项目所用以ETM⁺（TM）数据为主，对于以太阳作为遥感光源的TM信息，大气吸收带内（如1.4μm和1.9μm附近）有些蚀变矿物虽也有诊断性的吸收特征谱，却不可能被利用。为了便于讨论，图8-2列出了太阳光谱辐射照度分布曲线。

图8-2 太阳光谱辐射照度分布曲线图

矿物岩石的各种光谱特征均起因于电子过程或振动过程。Hunt之所以能够将不同种类性质各异的200多种矿物的光谱特征在同一张图上表示出来，就是因为大多数矿物的主要成分在VNIR区不产生吸收谱带。电子过程中Fe²⁺，Fe³⁺占主要地位，因此在矿物（包括岩石和土壤）的VNIR光谱中，最常遇到的电子特征是以某种形式存在的铁产生的。振动过程中占主要地位的有水和羟基（OH^-），此外还有碳酸根。具体分析如下：

VNIR区所覆盖的能量范围相当宽，足以包括电子过程所产生的不同效应：晶体场效应、电荷转移、色心、导带跃迁。

二价铁离子（Fe²⁺）产生的光谱特征其波长因矿物不同而异，数据主要与离子所在位置的性质有关，分布在1.1～2.4μm范围内。

三价铁离子（Fe³⁺）在0.76～0.90μm（TM4）波段有较强的吸收，见图8-3。图中赤铁矿、黄钾铁矾、针铁矿的Fe³⁺特征吸收波段中心分别在0.85μm，0.90μm和0.94μm；此外在中心0.45μm，0.55μm等波段亦有吸收，对应的TM波段为TM1（0.45～0.52μm）和TM2（0.52～0.60μm）。

振动过程产生的谱带较之电子过程产生的谱带要尖锐得多，而且典型的振动特征以多重谱带的形式出现。现具体说明之。

任何一个振动系统表现的无规则运动，是由数目有限的简单运动（称为简正模式或基本模式）构成的。一个由N个粒子组成的系统有3N-6个简正振动。

每一种基本振动有其基频υ_i。如水分子H₂O只有3种（N=3，3×3-6=3）基本振动：对称的OH伸缩振动，记为（υ₁）；HOH弯曲振动（υ₂）；非对称的OH伸缩振动（υ₃）。

图8-3 含Fe³⁺矿物的反射波谱曲线

当一个基本模式被两个或两个以上的能量子（quantum of energy）所激发，就会产生倍频，其谱带位于基频的整数倍（即2υ_i，3υ_i，4υ_i等）处附近。当两个或两个以上不同基频或倍频振动发生时，就出现合频谱带，位于基频与倍频加和之处或附近。

在NIR区所观察到的是具有很高基频基团的合频及倍频谱带，且具有如此高频率的基团相当少，最重要的是OH基团。因为许多蚀变矿物都含OH基团，而且只要有水存在，羟基特征就出现。所以，在地球物质的光谱中，OH基团信息比其他基团的多得多，这就是TM遥感信息蚀变填图的波谱前提。

羟基（OH^-）只有一个基本伸缩振动模式，约在2.75μm附近。在NIR区中观察到的是OH伸缩振动的第一倍频谱带1.4μm。OH基本伸缩振动与X-OH（X通常为Al或Mg）基本弯曲振动的合频谱带通常成对地出现，即其合频谱带通常有一个伴随谱带。较强的合频带一般在2.2μm（若为Al-OH）或2.3μm（若为Mg-OH）附近，而伴随谱带相应位于2.3μm或2.4μm附近。由于在2.2～2.3μm附近的较强吸收谱带，使得含羟基的岩石和矿物（如高岭石、蒙脱石、明矾石、绿帘石、绿泥石等）在TM7（2.08～2.35μm）波段产生低值，而使得TM5（1.55～1.75μm）波段有相对高值（图8 4，图8 5）。

液态水具有上面所述的3种基本振动模式：υ₁在3.106μm，υ₂在6.08μm，υ₃在2.903μm。在NIR区中可出现的倍频与合频谱带是：（υ₂+υ₃）在1.875μm附近；（2υ₂+υ₃）在1.454μm附近；（υ₁+υ₃）在1.38μm附近；（υ₁+υ₂+υ₃）在1.135μm附近；（2υ₁+υ₃）在0.942μm附近。在矿物和岩石的光谱中，只要有水存在，总会出现两个特征谱带：1.4μm和1.9μm附近。这两个吸收带从左右两侧影响到TM5波段，使其有所降低，故对于水与羟基在TM5与TM7是有区别的。

碳酸根离子的内振动的倍频或合频在NIR光谱1.6～2.5μm区间出现5 个非常特征的谱带：较强的在2.55μm附近和2.35μm附近，其他位于2.16μm附近、2.00μm附近及1.9μm附近的3个相对较弱（图8-6中的方解石）。因此，碳酸盐同样会在TM7 波段产生低值，无疑蚀变带中的碳酸盐化能够起到增强填图的作用，而无矿化的大理岩、石灰岩则可能产生干扰异常。