辽宁兴城地区岩石光谱测试及特征分析

陈圣波，张 莹，郭鹏举，赵 莹，谢明辉

吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026



辽宁兴城地区岩石光谱测试及特征分析

陈圣波，张 莹，郭鹏举，赵 莹，谢明辉

吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026

在辽宁兴城野外实习基地采用ASD光谱仪完成不同岩石样品光谱测试的基础上，分析了不同类型、不同地质时代的岩浆岩和沉积岩，及其风化面和新鲜面的光谱曲线特征。兴城野外不同岩浆岩与沉积岩光谱曲线形态相似，新鲜面和风化面的特征光谱吸收位置相差不大，但新鲜面的反射率普遍高于风化面的反射率；岩浆岩和沉积岩样品一般在波长为900 nm左右存在铁离子吸收谷；除了在1 400 nm和1 900 nm处有水汽吸收带外，岩浆岩和沉积岩样品在2 200 nm左右还存在强吸收谷，而灰岩在2 300 nm左右有比较高的吸收谷，这也是利用实测光谱进行岩性分类的理论基础。但是，不同地质年代下的岩石光谱曲线变化并无规律，更多地与岩石结构、成分和环境因素等相关。这样，岩石光谱测试及其特征分析可满足研究区岩性识别、矿化蚀变信息提取的需要。

辽宁兴城地区；岩石；光谱测试 ；光谱特征

0 引言

随着遥感光谱分辨率、空间分辨率和时间分辨率的提高，遥感信息提取的精度也不断提高[1]。光谱特征是遥感图像在不同谱段所吸收的地物反射电磁波能量大小的表现，是组成地物成分和结构等属性的最直接反映，是影像地物区分的依据[2]。因此，地物光谱特征是应用遥感技术开展资源勘查的基础。

近年来，国内外学者开展了很多岩石光谱测试及其特征分析的研究。Hunt等[3]系统研究了地球上典型岩石矿物的光谱特征；Clark 等[4-6]通过对岩矿光谱的定量分析，开发了相应的岩矿信息提取软件；美国地质调查局(USGS)在实验室条件下测试并发布了100多种矿物的反射光谱数据库[7]。在我国腾冲航空遥感试验中，测试了600多组地物光谱特征[8]。傅碧宏[9-10]、丑晓伟等[11-12]、二芳宫树等[13]研究了沉积岩的岩石光谱曲线特征；甘甫平等[14-15]、闫柏琨等[16-17]研究认为岩石光谱反射率的大小会受到视场角和观测几何的影响，但是光谱曲线的整体形态和吸收特征基本保持不变；吴德文等[18]、王钦军等[19]、耿新霞等[20]基于不用的遥感数据利用岩石的光谱曲线特征提取了蚀变信息与岩性信息，效果均比较理想。

岩石光谱特征是其成分与结构的反映。成分、结构不同的岩石，其光谱特征也会有差异。本文在辽宁省兴城地区岩矿光谱数据采集的基础上，分别从岩石类型及其地质年代上进行分析，将为该区域的地质填图和找矿提供一定的指导意义和参考价值。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省西部，海拔高度20～500 m，相对高差200～350 m，地势总体上呈现西北高东南低的趋势，气候属于北半球暖温带亚湿润气候，植被类型丰富[21]。

兴城地区(图1)出露的地层为典型的华北型，地层发育较为齐全，从太古宙岩石单元到中——新元古界、古生界、中生界和新生界都有分布。多方向构造相互交错使本区断裂构造比较复杂，主要有近东西向、北东向、北北东向、北东东向、北西向、南北向和少量北西西向。褶皱构造显现比较明显，多由侏罗系、白垩系构成。火山带分布在西北和中北部区域，总体呈北东向分布，与所构成的主要褶皱构造直接联系。环形构造成因与岩浆侵入有关，有些与火山活动相关。

2 岩石光谱测试

2.1 测试仪器

岩石光谱测试仪器为美国Analytical Spectral Devices，Inc公司的 FieldSpec FR-3型便携式野外光谱仪。波谱范围为350～2 500 nm，波长分布从可见光到短波红外[22]。可见光/近红外(VNIR，350～ 1 000 nm)通道的光谱测量间隔为1.4 nm，分辨率约为3 nm；短波红外(SWIR，900～2 500 nm)通道的光谱测量间隔为2 nm，分辨率为6.5～8.5 nm，变化范围取决于光谱仪测量样品时的扫描角度，即视场角[18]。等效辐射噪声小于10-8。

2.2 测试方法

兴城野外共测试岩石样品54个。测定时间为每天12:00——14:00，天空云量小于10%，测试场地的视场角为25°左右。在野外每次进行岩石光谱测试前，需要在半小时之前对仪器进行开机预热和软件标准化调试，并用白板进行定标。测试时，每个样品测试10次求平均得到样品的反射率。对每个测试点进行GPS经纬度定位，同时用相机拍摄采样环境和样品特征。在野外记录本上详细记录采样岩石的命名、经纬度、地质背景以及环境情况等信息[17]。

3 岩石光谱特征分析

根据野外现场测试的波谱曲线，分别比较分析不同岩石类型、不同地质时代岩石类型的波谱特征。

3.1 岩浆岩类波谱特征

图1 兴城地区地质图Fig.1 Geological map of Xingcheng area

a.绥中花岗岩； b.辉绿岩；c.花岗斑岩 ；d.花岗闪长岩。图2 兴城野外岩浆岩样品Fig.2 Magmatic rock samples in Xingcheng area

研究区出露的岩浆岩体以中酸性为主，主要有花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、辉绿岩及安山岩等，部分岩浆岩样品如图2所示。兴城野外岩浆岩风化面和新鲜面测试的光谱曲线如图3所示。从光谱曲线可以看出：1)兴城野外各类岩浆岩谱线形态基本相似，主要岩浆岩的新鲜面和风化面光谱吸收位置相差不大，一般地，岩浆岩新鲜面的反射率要普遍高于风化面的反射率；2)在580～920 nm附近有一个较宽的反射峰，在940 nm左右存在铁离子吸收谷；3)除了1 400 nm和1 900 nm处的水汽吸收带外，5种岩类在2 200 nm左右还有一个强吸收谷。这是利用实测光谱提取矿物和岩石分类的基础[23-25]。

3.2 沉积岩类波谱特征

研究区出露的沉积岩最广，以砂岩、泥岩、碳酸盐岩为主。野外采集的主要沉积岩岩石样品如图4所示，其风化面和新鲜面光谱如图5所示。从光谱曲线可以看出： 1)沉积岩的光谱特征与岩石中的化

a.风化面；b.新鲜面。图3 兴城地区岩浆岩光谱Fig.3 Magmatic rocks spectra in Xingcheng area

a.钙质砂岩； b.白云岩；c.灰色粉砂岩；d.白云质灰岩。图4 兴城野外沉积岩样品Fig.4 Sedimentary rock samples in Xingcheng area

学成分有关，与所含的水分、羟基、碳酸根离子、铁离子以及其他矿物含量密切相关，其含量不同，吸收强弱亦不同，而使反射光谱特征曲线产生差异，总体反射率为0.1～0.5；2)在900 nm附近有铁离子特征吸收带，主要是由于铁离子的吸收引起的；3)钙质砂岩、石英砂岩、白云岩和灰色粉砂岩这4种岩类在2 200 nm左右有一个吸收谷，主要是由羟基吸收引起的；4)钙质砂岩和白云质灰岩在2 300 nm左右有一个比较高的吸收谷，这主要是由碳酸根离子吸收引起的[23-25]。

3.3 不同地质年代下岩石光谱特征

不同地质时代岩石的风化程度不同，使得岩石的成分和结构发生变化，直接反映为光谱特征上的差异[26]。图6为不同年代石英砂岩和灰岩的光谱曲线。从图6a可以看出：不同地质年代的石英砂岩有近似的光谱曲线，除了1 400 nm和1 900 nm处的水汽吸收带外，在2 200 nm左右还存在吸收谷，在900 nm附近有一个微小的吸收谷；常州沟组石英砂岩反射率最低，团山子组石英砂岩反射率最高。从图6b可知:不同地质年代的灰岩光谱曲线相似，在2 300 nm左右有一个强吸收谷，这主要是由碳酸根离子吸收引起的;团山子组灰岩反射率最高，崮山组晚寒武世灰岩反射率最低。总之，岩石光谱特征随着地质时代的变化并无规律，更多的与岩石结构、成分和环境因素等相关[27]。

a.风化面；b.新鲜面。图5 兴城地区沉积岩光谱Fig. 5 Sedimentary rocks spectra in Xingcheng area

图6 不同地质年代下石英砂岩(a)和灰岩(b)的光谱曲线Fig.6 Spectral curves of quartz sandstone (a) and limestone (b) under different geological time

4 结论

1)兴城地区不同岩浆岩和沉积岩的光谱曲线形态基本相似，新鲜面和风化面的吸收位置相差不大。新鲜面的反射率普遍高于风化面的反射率。

2)岩浆岩类和沉积岩类一般在900 nm左右存在铁离子吸收谷，在2 200 nm左右有一个强吸收谷。除了1 400 nm和1 900 nm处的水汽吸收带外，沉积岩类普遍在2 300 nm左右有一个比较强的吸收谷。

3)不同地质年代下的岩石光谱曲线变化并无规律，更多地与岩石结构、成分和环境因素等相关。

在岩石光谱测试以及岩石光谱特征分析的基础上，系统研究和理解岩矿光谱特征，可以为岩石矿物成分及结构特征探测，以及为研究区岩性识别、异常信息提取提供更多的技术支撑，进一步满足地质矿产调查评价的需要。

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Rock Spectral Measurements and Their Characterization Analysis in Xingcheng Area, Liaoning Province

Chen Shengbo，Zhang Ying，Guo Pengju，Zhao Ying，Xie Minghui

CollegeofGeoExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China

Remote sensing images record the rock spectral radiation characteristics and morphological characteristics. In the study, after the spectra of different rocks were measured in Xingcheng area for ASD spectrometer, the spectral characteristics are analyzed to the rocks with fresh and weathering surfaces for different rock types and different geological era. The spectral curves of different sedimentary and magmatic rocks are similar, and their absorbing positions have the same wavelength. But the reflectance of the fresh surface of rocks is higher than the weathering surface. Around 900 nm, the spectral absorption valley may be due to iron ions. In addition to 1 400 nm and 1900 nm of water vapor absorption band, sedimentary and magmatic rocks have a strong absorption valley around 2 200 nm, while limestone has a relatively high peak around 2 300 nm. These are theoretical basis of rock classification in the spectral method. But the spectral features of rocks on different geological era are not obvious. And it is related to the texture and components of rocks. Thus, the rock spectral measurements and spectral characterization analysis can meet the need of lithology recognition, mineralization alteration information extraction for geological investigation and mineral exploration.

Xingcheng area,Liaoning Province; rocks; spectral measurement; spectral characteristics

10.13278/j.cnki.jjuese.201501306.

2014-03-22

国家科技专项项目(201011083 SinoProbe09-06)

陈圣波(1967——)，男，教授，博士生导师，主要从事遥感技术研究，E-mail:chensb@jlu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501306

P585

A

陈圣波，张莹，郭鹏举，等. 辽宁兴城地区岩石光谱测试及特征分析.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(1):320-326.

Chen Shengbo，Zhang Ying，Guo Pengju, et al. Rock Spectral Measurements and Their Characterization Analysis in Xingcheng Area, Liaoning Province.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):320-326.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501306.