張耀華 孟燕 從相軍 孫秀錦

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)發(fā)展規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)各種礦物質(zhì)的需求量也在不斷增加。為了滿足實(shí)際需要，礦物質(zhì)的開(kāi)采及利用越來(lái)越受到各界重視。在自然界的各種作用下，地殼當(dāng)中會(huì)形成多種類型的礦物質(zhì)。對(duì)巖石礦物成分的含量進(jìn)行測(cè)定不僅可以促進(jìn)社會(huì)工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)還可以為制造業(yè)的發(fā)展提供重要的原材料。在過(guò)去，這項(xiàng)工作主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的形式開(kāi)展的，操作步驟繁多、結(jié)果等待時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)所消耗的資源也是比較多的，還很可能會(huì)對(duì)樣本的完整性造成破壞。除此之外，這對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)技能和檢測(cè)設(shè)備的專業(yè)化程度也提出了較高的要求，需要投入大量的資金和人力[1]。近年來(lái)，礦物成分檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，測(cè)定與分析方法也越來(lái)越多樣，這為相關(guān)工作的開(kāi)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。

1 巖石礦物成分的測(cè)定與分析方法

巖石礦物測(cè)定與分析方法主要包括色譜法、元素法、差熱法、光譜法、化學(xué)法。近年來(lái)，近紅外光譜法與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在實(shí)際工作中應(yīng)用越來(lái)越成熟。

2 基于近紅外光譜法對(duì)巖石礦物成分進(jìn)行測(cè)定與分析實(shí)例

2.1 測(cè)定與分析的原理和要求

近紅外光譜法早在上個(gè)世紀(jì)八十年代就已出現(xiàn)，現(xiàn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有效融合實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展，目前已在化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。已經(jīng)逐漸取代實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)，成為了使用頻率最高、使用效果最好的方法之一[2]。

在本次試驗(yàn)當(dāng)中，選擇了白云母、高嶺土以及蒙脫石這三種常見(jiàn)礦物成分，將其按照一定的比例進(jìn)行配合形成檢測(cè)樣本，這與巖石內(nèi)部的礦物構(gòu)成是極為相似的。在這之后，使用近紅外光譜法來(lái)對(duì)這些成分進(jìn)行檢測(cè)，并使用標(biāo)準(zhǔn)歸一法來(lái)對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上對(duì)三種成分的含量進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

2.2 測(cè)定與分析試驗(yàn)

2.2.1 獲取礦物成分樣本

在參考天然巖石的礦物成分之后，本次試驗(yàn)選取白云母、高嶺土和蒙脫石這三種最為常見(jiàn)的物質(zhì)構(gòu)成待測(cè)樣本。這三種物質(zhì)在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中的使用頻率比較高，用量也比較大，對(duì)它們進(jìn)行測(cè)定與分析對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展可以起到重要的參考作用。

2.2.2 礦物光譜采集系統(tǒng)

在完成樣本的配置之后，通過(guò)近紅外光譜法，基于礦物光譜來(lái)獲取樣本的成分信息，并基于礦物光譜采集系統(tǒng)來(lái)對(duì)這些信息進(jìn)行分析。具體來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)主要是由以下三個(gè)部分構(gòu)成的。第一部分是顯示控制系統(tǒng)，第二部分是采集控制單元，第三部分是近紅外光譜單元，作用是發(fā)射光譜。

2.2.3 光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理

近紅外光譜的波長(zhǎng)位于中紅外區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)之間，最大波長(zhǎng)為2526 納米、最小波長(zhǎng)為780 納米。而在巖石當(dāng)中，各種礦物成分的近紅外光譜法最短在900 納米、最長(zhǎng)在2500 納米。因此，在本次試驗(yàn)當(dāng)中可以選擇256-2.5 光譜儀來(lái)完成操作。在試驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，白云母、高嶺土以及蒙脫石這三種礦物成分所發(fā)散出來(lái)的近紅外光譜信息存在明顯的差異，它們能夠清晰地被設(shè)備檢測(cè)出來(lái)，可以獲取到相應(yīng)的光譜數(shù)據(jù)。

對(duì)于獲取到的光譜數(shù)據(jù)，首先要進(jìn)行預(yù)處理。技術(shù)人員可以用平滑濾波來(lái)對(duì)波長(zhǎng)范圍在950 納米到2450 納米的光譜進(jìn)行有效處理[3]。在經(jīng)過(guò)處理之后，就可以基于光譜信息構(gòu)建起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以此來(lái)對(duì)巖石礦物當(dāng)中所含有的組成成分進(jìn)行分析，并在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。

本試驗(yàn)選取了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一法來(lái)對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這種方法能夠消除散射噪聲的干擾，使試驗(yàn)結(jié)果變得更為準(zhǔn)確，展現(xiàn)出了較高的應(yīng)用價(jià)值和功能。

2.3 試驗(yàn)預(yù)測(cè)原理

近紅外光譜法雖然在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，但它屬于一種間接分析方法，需要建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。在本次試驗(yàn)當(dāng)中，共選取了66個(gè)樣本數(shù)量，并在其中隨機(jī)選取33個(gè)樣本，用樣本信息來(lái)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)另外33個(gè)樣本的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

在數(shù)學(xué)模型構(gòu)建過(guò)程當(dāng)中所采用的主要方法有以下四種。

第一種是主成分回歸法，它的特點(diǎn)是能夠通過(guò)矩陣的形式來(lái)進(jìn)行分析，并對(duì)未知的成分進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第二種是偏最小二乘回歸法，與主成分回歸法相似，都是基于位置組分來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的，可以對(duì)礦物成分光譜矩陣和組分含量矩陣進(jìn)行有效處理，同時(shí)還可以對(duì)這兩種矩陣當(dāng)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比分析，找到二者之間的相關(guān)性，以此來(lái)增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果整體的相關(guān)性。

第三種是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，它屬于前回饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由多個(gè)非變換神經(jīng)元共同構(gòu)成的。

第四種是隨機(jī)森林法，這是一種比較常用的數(shù)據(jù)處理方法。在對(duì)樣本進(jìn)行處理的時(shí)候，需要使用自助法重采樣技術(shù)，并在這個(gè)基礎(chǔ)上生成相應(yīng)的測(cè)試和訓(xùn)練樣本，進(jìn)而形成隨機(jī)森林。對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果，也可以用分類樹(shù)來(lái)直觀、形象地進(jìn)行呈現(xiàn)[4]。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

在按照上述的方法來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)操作之后，獲得了66 組試驗(yàn)結(jié)果，這其中33 組為測(cè)試的樣本，另外33 組則為訓(xùn)練樣本。在獲得這些數(shù)據(jù)之后，首先要進(jìn)行預(yù)處理，然后構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，通過(guò)非線性和線性這兩種建模方式來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后，還要運(yùn)用最小均方根誤差來(lái)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行判斷[5]。

在獲得處理結(jié)果之后，還需要基于隨機(jī)森林法對(duì)白云母、高嶺土以及蒙脫石這三種礦物成分的預(yù)測(cè)結(jié)果制成相應(yīng)的圖像。在對(duì)圖像進(jìn)行觀察之后發(fā)現(xiàn)，高嶺土和白云母的近紅外光譜法預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間呈現(xiàn)出了明顯的線性關(guān)系，而蒙脫石近紅外光譜法預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間則呈現(xiàn)出了相關(guān)性關(guān)系。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在對(duì)礦藏進(jìn)行勘測(cè)的過(guò)程中，要對(duì)巖石中礦物成分的種類和特性進(jìn)行快速分析，并在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)礦藏的品質(zhì)形成判斷，進(jìn)而對(duì)整個(gè)區(qū)域礦產(chǎn)資源的利用價(jià)值進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)于采礦活動(dòng)的開(kāi)展來(lái)說(shuō)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在實(shí)踐當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，不同測(cè)定與分析方法的特定不同，使用條件也存在差異。這需要工作人員結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和巖石特征來(lái)進(jìn)行合理選擇，為我國(guó)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)與利用提供有力的支持。