楊云漢，史維鑫，邱駿挺

1. 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029 2. 自然資源實(shí)物地質(zhì)資料中心，河北 三河 065201

引 言

地球表面和大氣中的目標(biāo)在反射、散射和透射及電磁輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生特有的偏振現(xiàn)象，可增加目標(biāo)的信息量。通過(guò)測(cè)量目標(biāo)輻射和反射光的偏振強(qiáng)度值、偏振度、偏振角、偏振橢率和輻射率，可以解決傳統(tǒng)光度學(xué)探測(cè)無(wú)法解決的一些問(wèn)題，是對(duì)普通光譜探測(cè)手段的有益補(bǔ)充。

對(duì)自然物體表面的偏振反射測(cè)量始于1964 年，并經(jīng)歷了較為深入的研究和探討。英國(guó)Raven通過(guò)對(duì)毛藤花等植物葉片的研究獲得了大量植物單葉的偏振反射數(shù)據(jù)。Liu通過(guò)偏振遙感測(cè)量海洋大氣浮塵，解釋了海洋表面紅移現(xiàn)象的原因[1]。國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家也開(kāi)展了相關(guān)研究，如： 中科院安徽光機(jī)所孫曉兵[2]等發(fā)現(xiàn)來(lái)自人工目標(biāo)及自然背景的光波偏振角參數(shù)是一個(gè)與物體表觀及固有特性直接相關(guān)的一個(gè)本征信息，偏振角參數(shù)能夠較好地描述物體不同的表面取向，可以用來(lái)表征目標(biāo)及背景的狀態(tài)特性。北京大學(xué)趙虎[3]等利用中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的二向反射光度計(jì)，分別測(cè)量了橄欖巖[3]、花崗巖[4]、石灰?guī)r、輝長(zhǎng)巖、玄武巖[5]等多種巖石的多角度偏振反射比及二向性反射比[6]，發(fā)現(xiàn)地物在光線(xiàn)入射天頂角較大時(shí)，經(jīng)過(guò)表面反射會(huì)發(fā)生起偏，地物的反射光譜中的偏振度開(kāi)始時(shí)隨人射角的增大而增加，到布儒斯特角時(shí)達(dá)到峰值，然后又開(kāi)始逐漸減小，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不同巖石峰值的高低存在差異。趙乃卓對(duì)巖石表面鏡面反射和漫反射分別進(jìn)行了定量研究[7]，發(fā)現(xiàn)光線(xiàn)入射天頂角會(huì)對(duì)兩種反射起到一定的影響，且影響的強(qiáng)弱受巖石表面光滑程度和相對(duì)探測(cè)方位角控制。東北師范大學(xué)的趙云升[8-9]等對(duì)石英、脈石英、玉髓、蛋白石、方解石五種礦物進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)礦物對(duì)偏振光反應(yīng)敏感，90°偏振反射最強(qiáng)，0°偏振反射最弱，無(wú)偏時(shí)(二向性反射)居于二者之間，鑒于不同礦物偏振特性存在差異，利用偏振光譜對(duì)不同礦物進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)具有一定的可行性。

蝕變礦物識(shí)別與蝕變帶劃分的方法及邊界的尋找是現(xiàn)在礦床學(xué)研究的重要課題之一[10]。前人在巖石和礦物偏振特性方面已開(kāi)展了相關(guān)研究，但這些研究主要針對(duì)巖石大類(lèi)和造巖礦物，對(duì)于蝕變礦物偏振特性的研究則十分薄弱，嚴(yán)重制約了偏振遙感技術(shù)在礦床學(xué)和地質(zhì)勘查中的應(yīng)用效果。鑒于此，利用自主研發(fā)的偏振測(cè)量硬件和數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)11種常見(jiàn)的礦床蝕變礦物進(jìn)行了系統(tǒng)的偏振光譜測(cè)量，在此基礎(chǔ)上探討了偏振光譜技術(shù)在蝕變礦物識(shí)別分類(lèi)中的應(yīng)用潛力，為偏振遙感技術(shù)在礦床蝕變帶劃分、礦產(chǎn)勘查和新一代小型光譜儀研發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)依托核工業(yè)北京地質(zhì)研究院自主研發(fā)的偏振光譜測(cè)量裝置和自動(dòng)化控制軟件完成。偏振光譜測(cè)量裝置由中央定臺(tái)、內(nèi)水平轉(zhuǎn)臺(tái)、外水平轉(zhuǎn)臺(tái)、L型機(jī)械臂、L型光源支架、偏振片旋轉(zhuǎn)器、光纖、光譜儀、計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)(A-E)以及光源組成(圖1)，可以測(cè)量不同入射、出射條件下材料的偏振光譜。自動(dòng)化控制軟件包含主界面、電機(jī)速度控制界面和RS3軟件配置界面三部分(圖2)，可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行腳本實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量裝置和光譜儀的全自動(dòng)控制，其中對(duì)電機(jī)C和D的單步控制為0.993 6°，對(duì)電機(jī)E的控制為1°。

圖1 偏振光譜測(cè)量裝置示意圖和實(shí)物圖1： 中央定臺(tái)； 2： 內(nèi)水平轉(zhuǎn)臺(tái)； 3： 外水平轉(zhuǎn)臺(tái)； 4： L型機(jī)械臂；5： L型光源支架； 6： 偏振片旋轉(zhuǎn)器； 7： 光纖； 8： 光譜儀；9： 計(jì)算機(jī)； 10： 步進(jìn)電機(jī)A； 11： 步進(jìn)電機(jī)B； 12： 步進(jìn)電機(jī)C；13： 步進(jìn)電機(jī)D； 14： 步進(jìn)電機(jī)E； 15： 光源Fig.1 Schematic and physical images of polarization device

1： Central fixed stage; 2： Inner horizontal turntable; 3： Outer horizontal turntable; 4： L robot arm; 5： L light source bracket; 6： Polarizer rotation; 7： Optical fiber; 8： Spectrometer; 9： Computer;

10： Stepper motor A; 11： Stepper motor B; 12： Stepper motor C;

13： Stepper motor D; 14： Stepper motor E; 15： Light source

考慮到環(huán)境和儀器自身反射光會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的影響，測(cè)量前，先進(jìn)行了環(huán)境實(shí)驗(yàn)。假定儀器在空載狀態(tài)下接收到的信號(hào)為環(huán)境噪聲，假定放置樣品(本試驗(yàn)以方解石為例)后接收到的信號(hào)為樣品信號(hào)，通過(guò)對(duì)比環(huán)境噪聲與樣品信號(hào)之間的強(qiáng)度差異就可以定量化的判斷環(huán)境噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。鑒于此，分別測(cè)量了儀器在空載和在裝載樣品時(shí)光譜儀的信號(hào)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖3)，在偏振片有效光譜范圍(450～750 nm)內(nèi)，環(huán)境噪聲比樣品信號(hào)強(qiáng)度低很多，即便最強(qiáng)的環(huán)境噪聲與最弱的樣品信號(hào)相比，噪聲不足信號(hào)強(qiáng)度的15%，而且環(huán)境噪聲主要與中央定臺(tái)產(chǎn)生的漫反射光有關(guān)，當(dāng)中央定臺(tái)放置樣品后，漫反射光基本由樣品提供，環(huán)境噪聲的影響將變的更低。由此可知，由周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的噪聲不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生過(guò)大影響。

圖2 自動(dòng)化控制軟件界面(a)： 主界面； (b)： 電機(jī)速度控制界面； (c)： RS3軟件配置界面Fig.2 Images of automation controller software(a)： Main interface; (b)： Speed control interface;(c)： RS3 software configuration interface

圖3 環(huán)境噪聲與信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比圖Fig.3 Environmental noise vs. signal

1.1 被測(cè)量的樣品

對(duì)11種礦物開(kāi)展偏振光譜測(cè)量，包括： 鉀長(zhǎng)石、黑云母、磁鐵礦、黃鐵礦、白云母、石英、綠泥石、方解石、赤鐵礦、螢石、白云石。其中鉀長(zhǎng)石、黑云母、磁鐵礦、黃鐵礦、白云母、石英、綠泥石、赤鐵礦、方解石9種為斑巖銅礦蝕變帶常見(jiàn)礦物，石英、螢石、長(zhǎng)石為3種短波紅外無(wú)法識(shí)別的礦物，方解石、白云石2種為可見(jiàn)光無(wú)法識(shí)別的礦物。所有樣品均為購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)樣品且經(jīng)地質(zhì)人員根據(jù)礦物特性進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)鑒定(圖4)。

1.2 參數(shù)說(shuō)明

對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明： 設(shè)偏振光譜測(cè)量裝置的中央定臺(tái)為平面P，P的法線(xiàn)為N。入射光L與N之間的夾角A為入射角，出射光R與N之間的夾角B為出射角(當(dāng)R與L位于N同一側(cè)時(shí)，B記為負(fù)，反之記為正)，L與R之間的夾角C為相角，L在P上的投影L′與R在P上的投影R′之間的夾角D為方向角。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)D恒為180°，此時(shí)L，R和N位于同一平面F，F(xiàn)稱(chēng)為主平面。偏振片的偏振方向與F之間的銳夾角G稱(chēng)為偏振夾角，當(dāng)G=0°時(shí)，偏振方向與主平面平行，此時(shí)光譜儀在波長(zhǎng)λ處接收的電信號(hào)強(qiáng)度記為Hλ∥，當(dāng)G=90°時(shí)，偏振方向與主平面垂直，此時(shí)光譜儀在波長(zhǎng)λ處接收的電信號(hào)強(qiáng)度記為Hλ⊥。上述參數(shù)關(guān)系在圖5中進(jìn)行展示。

圖4 購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)礦物樣品和樣品的人工鑒定Fig.4 Mineral samples and sample check

圖5 本研究中的各種參數(shù)的關(guān)系示意圖Fig.5 Relationships among different parameters in this study

實(shí)驗(yàn)設(shè)A恒為60°，B從-45°以5°為間隔增長(zhǎng)至70°，對(duì)應(yīng)的C的變化范圍為15°～130°。對(duì)于每一個(gè)C，都測(cè)量Hλ∥和Hλ⊥的值，分別記為Hλ∥(C)和Hλ⊥(C)。

偏振度計(jì)算方法為

PZλ(C)=(Hλ⊥(C)-Hλ∥(C))/(Hλ⊥(C)+Hλ∥(C))

(1)

1.3 測(cè)量過(guò)程

將礦物樣品整理并放置在偏振光譜測(cè)量裝置的中央定臺(tái)上。放置時(shí)保證被測(cè)的樣品平面與中央定臺(tái)的平面平行。之后，運(yùn)用自動(dòng)化控制軟件設(shè)置入射角A=60°、出射角B以5°步長(zhǎng)從-45°變化到70°(相當(dāng)于相角C從15°變化到130°)，每一組A和B都測(cè)量G=0°和G=90°兩個(gè)偏振態(tài)下的光譜曲線(xiàn)，每次測(cè)量時(shí)光譜儀先穩(wěn)定20 s，再駐停30 s完成測(cè)量。每測(cè)完一件樣品，更換樣品后，調(diào)用相同的控制腳本進(jìn)行測(cè)量，直至全部11件樣品都被測(cè)完，最終獲得264組共528條光譜曲線(xiàn)。

2 結(jié)果與討論

礦物偏振度計(jì)算采用核工業(yè)北京地質(zhì)研究院自主開(kāi)發(fā)的偏振光譜處理展示及存儲(chǔ)系統(tǒng)完成(圖6)，并由CGDK軟件成圖[11]。通過(guò)輸入相關(guān)光譜曲線(xiàn)，由軟件系統(tǒng)根據(jù)式(1)自動(dòng)計(jì)算出偏振度。由于光譜范圍介于450～750 nm，光譜儀以1 nm為間隔，因此每件樣品可通過(guò)式(1)計(jì)算得到7 224個(gè)不同的偏振度，但由于λ=650 nm時(shí)偏振度反差最大，對(duì)比效果好。因此所有礦物都以λ=650 nm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行偏振度計(jì)算和對(duì)比研究。

圖6 偏振光譜處理展示及存儲(chǔ)系統(tǒng)Fig.6 Data processing software for polarization data

2.1 偏振光譜技術(shù)在蝕變帶劃分方面的應(yīng)用

雖然礦床種類(lèi)很多，但蝕變帶是找礦的重要標(biāo)志，尤其在熱液型礦床和斑巖型礦床中[12]?，F(xiàn)僅以斑巖型礦床為例進(jìn)行介紹，該類(lèi)礦床具有非常明顯的蝕變暈結(jié)構(gòu)，其中部為斑巖體，沿中部向外依次為鉀化帶，絹英巖化帶、青磐巖化帶和高級(jí)泥化帶(圖7引自王乾杰 https://wenku.baidu.com/view/771169370b4e767f5acfce7b.html)。

鉀化帶溫度多在600 ℃，pH介于5～6。對(duì)于Cu-Au體系，鉀化帶中發(fā)育較多黑云母，對(duì)于Cu-Mo體系，鉀化帶中則多為次生鉀長(zhǎng)石。總體而言，鉀化帶的特征礦物組合為鉀長(zhǎng)石、黑云母、磁鐵礦。青磐巖化帶的溫度都為300～400 ℃，pH介于4～5，是由于次生鉀長(zhǎng)石消耗了原始巖漿中的K和Al元素而導(dǎo)致Ca，Na和Cl元素遷移和擴(kuò)散而形成。其特征礦物為綠泥石、綠簾石、方解石和鈉長(zhǎng)石。黃鐵絹英巖化帶形成于300 ℃，pH約為3的環(huán)境，其特征是伴隨有天水和地下水加入，S逸度增加導(dǎo)致流體越來(lái)越富酸性，其特征礦物主要為黃鐵礦、白云母和石英。高級(jí)泥化形成溫度介于100～150 ℃，pH約為1～2，屬于近地表的環(huán)境，主要礦物為地開(kāi)石、明礬石、葉臘石等，有些時(shí)候在其頂部還可出現(xiàn)鐵帽。由此可知，對(duì)于斑巖型礦床其最主要的蝕變礦物組合可歸納為： 鉀長(zhǎng)石+黑云母+磁鐵礦； 黃鐵礦+白云母+石英； 綠泥石+方解石； 地開(kāi)石+明礬石+葉臘石； 赤鐵礦+褐鐵礦。

圖8展示了本研究中與斑巖型礦床有關(guān)的9種蝕變礦物在650 nm波長(zhǎng)下的偏振光譜曲線(xiàn)。整體上看，除方解石和磁鐵礦具有較為對(duì)稱(chēng)的曲線(xiàn)外，其余礦物都具有偏振度隨相角增加而逐漸降低的趨勢(shì)，但不同的礦物偏振度隨相角變化的幅度存在差異。所有曲線(xiàn)首先具有一段相對(duì)較為平緩的區(qū)間，之后開(kāi)始下降，但不同礦物曲線(xiàn)下降速度和幅度不同，如白云母下降速度大于黃鐵礦下降速度，且白云母最終下降到約-0.65而黃鐵礦則下降到約-0.35。按照下降幅度相比很明顯有白云母>黑云母>綠泥石≥黃鐵礦>(方解石、磁鐵礦、石英、鉀長(zhǎng)石、赤鐵礦)。從最低點(diǎn)往后，不同礦物的曲線(xiàn)變化不同，如黃鐵礦、綠泥石、白云母、黑云母、石英等表現(xiàn)為上升，赤鐵礦、鉀長(zhǎng)石、磁鐵礦、方解石表現(xiàn)為先上升后下降。此外，不同礦物偏振度最低點(diǎn)的位置也不相同，例如赤鐵礦在95°、黑云母在115°、綠泥石在120°、而白云母在125°。上述差異說(shuō)明利用礦物的偏振差異可對(duì)不同礦物類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而說(shuō)明偏振光譜具有對(duì)斑巖型礦床蝕變帶劃分的潛力。

圖8 斑巖型礦床中蝕變礦物在(λ=650 nm)不同相角情況下的偏振度

2.2 偏振光譜在可見(jiàn)光-短波紅外盲區(qū)礦物識(shí)別方面的應(yīng)用

雖然短波紅外光譜技術(shù)已能有效識(shí)別幾十種不同類(lèi)型的蝕變礦物，在礦床學(xué)、礦產(chǎn)勘查、油氣地質(zhì)和礦物定量研究中得到了廣泛的應(yīng)用[13-16]，但對(duì)“石英”“螢石”“長(zhǎng)石”等在可見(jiàn)光-短波紅外波段沒(méi)有吸收特征的礦物，識(shí)別效果會(huì)受到很大的影響。

圖9中展示了螢石、長(zhǎng)石、石英三種礦物在(λ=650 nm)不同相角情況下的偏振度。相比而言，螢石、長(zhǎng)石和石英在偏振特性方面表現(xiàn)出比較大的差異。體現(xiàn)在螢石的偏振度從15°-2%開(kāi)始具有“階梯狀”下降的特征，在110°～115°相角偏振度到達(dá)-0.18趨于平緩，而后迅速回升； 石英則是從15°開(kāi)始緩慢下降，在60°后下降的速率有所提升，在110°左右到達(dá)谷底，而后再緩慢上升； 鉀長(zhǎng)石是從15°處開(kāi)始緩慢下降，在90°～100°附近趨于平緩，后快速上升至115°到達(dá)峰值，最后緩慢下降至130°。在90°至115°處螢石和石英都是緩慢下降的，而鉀長(zhǎng)石是緩慢上升的。115°處螢石和石英達(dá)到谷值，而鉀長(zhǎng)石到峰值，可以據(jù)此特點(diǎn)在三種礦物中區(qū)分出鉀長(zhǎng)石。螢石、長(zhǎng)石、石英在偏振特性方面的差異說(shuō)明對(duì)于可見(jiàn)光-短波紅外盲區(qū)礦物，可以利用礦物的偏振特性對(duì)這些礦物加以區(qū)分，從而提高礦物種類(lèi)識(shí)別的能力。

圖9 三種可見(jiàn)光-短波紅外盲區(qū)礦物在(λ=650 nm)不同相角情況下的偏振度

2.3 偏振光譜技術(shù)對(duì)光譜儀小型化的意義

近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光譜儀小型化已成為技術(shù)趨勢(shì)。目前，可見(jiàn)光光譜儀體積和重量都得到很大改善，但短波紅外光譜儀由于需要制冷設(shè)備，其體積和重量依然很大。

對(duì)于一些顏色上不易區(qū)分的礦物，如白云石和方解石，雖然二者在短波紅外譜段有非常明顯的差別，但在可見(jiàn)光波段的差別則很小，如需對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分需要使用短波紅外譜段的光譜儀，由此增加了光譜儀的體積和重量。此外，對(duì)于2 500 nm的短波紅外光譜儀，國(guó)內(nèi)目前還不能生產(chǎn)和制造，因此成本非常高。

如果考慮礦物的偏振特性，方解石和白云石在λ=650 nm條件下不同相角的偏振度變化有很大的差別(圖10)。白云石的曲線(xiàn)首先有一段相對(duì)平緩的區(qū)間，方解石在該曲線(xiàn)則出現(xiàn)較為明顯的下降，在C=115°時(shí)方解石有一個(gè)非常小的上升峰，而白云石在此處則有一個(gè)下降谷，可據(jù)此對(duì)兩種礦物進(jìn)行區(qū)分。這一例子也說(shuō)明可以通過(guò)給可見(jiàn)光光譜儀添加偏振系統(tǒng)的方式來(lái)提高光譜儀對(duì)于礦物類(lèi)別的識(shí)別能力，同時(shí)又不過(guò)分增加光譜儀的重量和體積。

圖10 白云石和方解石在(λ=650 nm)不同 相角情況下的偏振度Fig.10 Polarization degrees of dolomite and calciteat 650 nm wavelength

3 結(jié) 論

利用自主研發(fā)的偏振測(cè)量系統(tǒng)和處理軟件對(duì)11種常見(jiàn)蝕變礦物的偏振光譜特性進(jìn)行系統(tǒng)研究得到以下結(jié)論： (1) 幾種參與研究的蝕變礦物的偏振光譜特性存在較為明顯的差異，可據(jù)此對(duì)礦物類(lèi)別加以區(qū)分，進(jìn)而說(shuō)明礦物偏振特性具有劃分礦床蝕變帶的潛力。(2) 對(duì)于螢石、石英、鉀長(zhǎng)石等可見(jiàn)光-短波紅外光譜不易區(qū)分的礦物，其偏振特性存在較大區(qū)別，說(shuō)明偏振光譜可在傳統(tǒng)可見(jiàn)光-短波紅外光譜的基礎(chǔ)上增強(qiáng)礦物識(shí)別與分類(lèi)的能力。(3) 研究表明方解石和白云石等在可見(jiàn)光波段不易區(qū)分的礦物，在偏振特性方面存在差異，為小型可見(jiàn)光光譜儀的升級(jí)改造，提高可見(jiàn)光光譜儀的礦物識(shí)別能力提供了新的思路。總之，偏振光譜在蝕變礦物識(shí)別方面的能力已經(jīng)顯現(xiàn)，在地質(zhì)應(yīng)用特別是礦床學(xué)和地質(zhì)勘探中的潛力較大，應(yīng)當(dāng)積極推進(jìn)研究。

致謝：感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院張川和孟樹(shù)在樣品準(zhǔn)備，以及秦凱在儀器調(diào)試中給予的幫助和支持。