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矿物与岩石的可见一近红外光谱特性综述
日期：2024-04-24 17:00
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摘要：
北京锦坤科技有限公司
www.jon-kon.com
摘要：矿物和岩石的系统光谱学研究是当今高光谱遥感发展的基础。在简要介绍了吸收光谱产生的 电子过程和振动过程机理后，系统归纳了主要矿物类型和岩石类型的可见一近红外光谱特征。认为 矿物的吸收光谱主要由二价、三价铁离子和过渡族元素的电子跃迁以及晶体场效应等电子过程产 生；此外，还可以由水分子、Al—OH、Mg—OH、碳酸根的振动过程及卤化物的色心和硫化物的导带 产生；岩石的吸收光谱都是杂质、包体、蚀变及替代成分产生的，主要为铁、水和羟基、碳酸根、硼酸 根的光谱。*后指出，不同物理、化学环境下的矿物光谱特征变异研究在将来的高光谱遥感地质勘察中将变的更为重要。
关 键 词：矿物和岩石；可见一近红外光谱
中图分类号：TP 79 文献标识码：A 文章编号：1004—0323(2e03)O4一O191—11
1 引 言
测谱学(Spectr0sc0py)研究光与地物的相互作用。据测谱学原理由矿物的光谱特性研究矿物晶体 结构和成分由来已久,仍然方兴未艾。对矿 物、岩石光谱特性的系统研究。奠定了当今高光谱遥感技术发展的基础 。在前人研究成果的基础上，本文系统归纳矿物与岩石的可见近红外光谱特征。
2矿物光谱吸收机理
物体的光谱特性与其内在的理化特性紧密相 关，以矿物为例，矿物光谱主要取决于物体内电子 (Electrons)与晶体场(Crystal Fields)的相互作用， 以及物体内的分子振动(Molecular Vibrations)。电 子与晶体场的相互作用来源于晶体场作用(Crystal Field Effects)、电荷转移(Charge Transfer)、半导体 (Semiconductor)和色心(Color Centers)的影响。在 晶体场作用中由于离子(Ion)能级的跃迁会引起吸 收特征的变化，但反射光谱主要还是由矿物的差异 引起的，它与粒径无关。在晶体场作用中，铁离子扮演十分重要的角色，一方面它在地球上广泛存在，另一方面Fe2+、 Fe3+。 能够置换自然界中的Mg2+和Al3+。电子从一个原子到另一个原子的转移也会对光谱产生影响，例如Fe—O的电子转移就会引起光 谱吸收位置向紫外(Ultraviolet)方向移动。反射光 谱吸收边缘取决于禁带(Band Gap)的宽度，入射的光子(Incoming Photons), rl ~,须有足够的能量来推动价(Valence Band)电子进入导带区(Conduction Band)，而在波长方向反射光的急剧增加与带隙能量有关。在某些如离子 失的结构缺陷的情况下，就会产生电子捕获，如CaFz中的F离子丢失而被一个电子取代时，就会造成红绿吸收，而呈现紫色，从 而形成了色心。不同物质的分子振动对光谱特性有很大的影响，一般的固体物质的振动发生在大于2.5μm波长范围，Si—O、Al—O的分子振动就发生在10 μm波长范围。H2O有2.66μm、2.74 μm和6.08μm 3个基本的分子振动波长位置。不同物质间这种内在的微观差异正是成像光谱仪遥感实现地物探测的物理基础.矿物光谱吸收机理包括金属阳离子在可见光区 域的电子过程以及阴离子基团在近红外区域的振动过程。
2．1 电子过程
(1)晶体场效应和电荷转移
电子在原子或离子能级之间或元素之间的电荷 跃迁，产生吸收光谱。常见阳离子的特征吸收位置如下：
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2.2 振动过程
阴离子基团伸缩或弯曲振动产生基频、倍频与合频。主要阴离子基团的振动吸收光谱如下：
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3 矿物的可见一近红外光谱
3．1硅酸盐矿物
硅酸盐矿物中，电子成因的光谱大都是二价和三价铁离子和锰离子及铜离子的跃迁产生的；振动过程大都是水、羟基产生的。对主要硅酸盐矿物的 光谱特性分述如下：
(1)岛状硅酸盐矿物。橄榄石族(镁橄榄石、铁 橄榄石、锰橄榄石、钙镁橄榄石)，化学式为：(Mg、 Fe、Mn、Ca)SiO4，具有1.06μm，0.82μm，1.3μm，0.4μm，0.5μm，0.63～0.65μm二价、三价铁离子谱带；0.37μm，0.415μm，0.45μm，0.55μm锰离子谱带；0.73μm铁锰联合谱带。石榴石族矿物光谱特征见表1。
(2)群状和环状硅酸盐矿物光谱特征见表2。
(3)链状硅酸盐的光谱特征见表3。
(4)层状硅酸盐的光谱见表4。
(5)架状硅酸盐的光谱见表5。
3．2碳酸盐的可见一近红外光谱
碳酸盐矿物中，电子成因的光谱大都是由二价 和三价铁离子、锰离子、铜离子的跃迁产生的；振动 过程大都是水，羟基，碳酸根产生的(表6)。
4 、岩石的可见一近红外光谱
4．1酸性火成岩的可见一近红外光谱
火成岩的主要成分硅一氧四面体和铝一氧四面 体并没有光谱特征，其光谱都是杂质、包体、蚀变(如长石类的粘土化，云母、角闪石的绿泥石化、绿帘石化等)及替代成分产生的，主要为铁、水和羟基的光谱(表10)。
4．2中性火成岩的可见一近红外光谱特征
中性火成岩的可见一近红外光谱都是杂质、包体、副矿物、蚀变及替代成分产生的，主要为铁、水和 羟基的光谱(表11)。
4．3基性、超基性火成岩的可见一近红外光谱
基性、超基性火成岩的可见一近红外光谱都是 杂质、包体、副矿物、蚀变及替代成分产生的，主要为铁，水和羟基的光谱(表12)。
4．4沉积岩的可见一近红外光谱
沉积岩的可见一近红外光谱矿物中，电子成因 的光谱大都是二价和三价铁离子和锰离子及铜离子 和铬离子的跃迁产生的，振动过程大都是水、羟基、 碳酸根产生的(表13)。
4．5变质岩的可见一近红外光谱
变质岩的可见一近红外光谱，电子成因的光谱 大都是二价和三价铁离子和锰离子及铜离子的跃迁 产生的；振动过程大都是水、羟基、碳酸根、硼酸根产 生的(表14)。
5 结 语
近年来的研究更进一步认识到，光谱对地物化学成分和结构的微细变化非常敏感，地物微细的化学成分和结构的变化常常导致吸收位置和吸收形 态的变化。因此，地物的光谱特性在现实世界中是非 常复杂的。在早期研究中，这成为一大劣势。随着技术的发展和对地物光谱特性和迁移原因的深入探究 及知识的增加，这一劣势正转变为探究地物化学成分和结构及自然环境微细变化的强大优势。可以预料，随着对不同环境下地物光谱变化特性的深入探究，基于地物光谱微细变化的环境变化遥感定量探测的实用化技术将不断涌现。例如：由岩矿光谱特性提取岩石、矿石形成的成分分带和温度参数：Duke(1994)的研究表明，前寒武纪变质瓦克岩白云母因契尔马克(Tschermak)置换，二八体A1 的增加导致吸收光谱向短波方向迁移，在缺少其它变质级标志的情况下，将此运用于变质带的划分；辉石在 1 μm和2 μm处的吸收峰随主要元素Fe、Mg、Ca的变化，分别具有130 nm和500 nm的迁移幅度。单斜辉石／斜方辉石共生矿物对主要成分的变化是矿物形成的温度计。Clouds(1991)0将辉石地质温度计与辉石吸收光谱变异，对应吸收光谱分析矿物形成的古温度。对环境敏感的矿物及其光谱特征在不同环境下的变异更具有地质环境勘察意义。
参考文献：
（1）Tsuboi M．On the Positions ot the Hydrogen Atoms in the Crystal Structure ot Muscovite as Revealed by the Infrared Absorption Study CJ3BIluetin of the Chemical Society of Japan．1950，3l83～88．
（2） Sutherland G B B M．Infrared and X-ray Analysis ot Crystal Structure[A]．Nuovo Cimento Supplemento．I Serie CC3． 1955，10l635～641．
（3） Serratosa J P t Bradley W F．Determination of the 0rienta- tion of OH Bond Axes in Layer Silicates by Infrared Absorp— tion[J]．Journal of Physical Chemistry，1958，62{1164～ 1167．
（4）Fripiat J J．Application of Infrared Spectroscopy to the Study of Clay Minerals CJ]．Bulletin Groupe Francais Argiles， 1960，12i25～41．
（5） Vedder W，McDonald R S．Vibration of the OH Ions in Muscov／te[I]．Journal of Chemical Physics，1963，38：1583 N1590．
（6）Tuddenham W M，Lyon R J P．Infrared Techniques in the Identification and Measurement of Minerals C13．Analytical Chemistry，1960，3：1630~1634．
（7） Stubican V，Roy R．Isomorphous Substitution and I~xfrared Spectra of the Layer Lattice Silicates[J]．American Mineralogist·1961，46：32～51．
（8） Povarennykh A S．The Use of Infrared Spectra for the Deter— ruination of Minerals[I]．Am erican Mineralogist，1978，63： 956～959．
（9）Galley S J．Spectral Reflectance of Carbonates Minerals in the Visible and Near—Infrared(0．35～2．25 microns)l Calcite。 Aragonite， and Dolomite[J]．American Mineralogist，1986，71 t151～162．
（10）Galley S J．Spectral Reflectance of Carbonates Minerals in the vi8tble and Near—infrared(0．35～2．55脚){Anhydrous Carbonate Minerals CJ3．J Geophysics Research，1987，92 (B2)l1426~1440．
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摘要：矿物和岩石的系统光谱学研究是当今高光谱遥感发展的基础。在简要介绍了吸收光谱产生的 电子过程和振动过程机理后，系统归纳了主要矿物类型和岩石类型的可见一近红外光谱特征。认为 矿物的吸收光谱主要由二价、三价铁离子和过渡族元素的电子跃迁以及晶体场效应等电子过程产 生；此外，还可以由水分子、Al—OH、Mg—OH、碳酸根的振动过程及卤化物的色心和硫化物的导带 产生；岩石的吸收光谱都是杂质、包体、蚀变及替代成分产生的，主要为铁、水和羟基、碳酸根、硼酸 根的光谱。*后指出，不同物理、化学环境下的矿物光谱特征变异研究在将来的高光谱遥感地质勘察中将变的更为重要。
关 键 词：矿物和岩石；可见一近红外光谱
中图分类号：TP 79 文献标识码：A 文章编号：1004—0323(2e03)O4一O191—11
1 引 言
测谱学(Spectr0sc0py)研究光与地物的相互作用。据测谱学原理由矿物的光谱特性研究矿物晶体 结构和成分由来已久,仍然方兴未艾。对矿 物、岩石光谱特性的系统研究。奠定了当今高光谱遥感技术发展的基础 。在前人研究成果的基础上，本文系统归纳矿物与岩石的可见近红外光谱特征。
2矿物光谱吸收机理
物体的光谱特性与其内在的理化特性紧密相 关，以矿物为例，矿物光谱主要取决于物体内电子 (Electrons)与晶体场(Crystal Fields)的相互作用， 以及物体内的分子振动(Molecular Vibrations)。电 子与晶体场的相互作用来源于晶体场作用(Crystal Field Effects)、电荷转移(Charge Transfer)、半导体 (Semiconductor)和色心(Color Centers)的影响。在 晶体场作用中由于离子(Ion)能级的跃迁会引起吸 收特征的变化，但反射光谱主要还是由矿物的差异 引起的，它与粒径无关。在晶体场作用中，铁离子扮演十分重要的角色，一方面它在地球上广泛存在，另一方面Fe2+、 Fe3+。 能够置换自然界中的Mg2+和Al3+。电子从一个原子到另一个原子的转移也会对光谱产生影响，例如Fe—O的电子转移就会引起光 谱吸收位置向紫外(Ultraviolet)方向移动。反射光 谱吸收边缘取决于禁带(Band Gap)的宽度，入射的光子(Incoming Photons), rl ~,须有足够的能量来推动价(Valence Band)电子进入导带区(Conduction Band)，而在波长方向反射光的急剧增加与带隙能量有关。在某些如离子 失的结构缺陷的情况下，就会产生电子捕获，如CaFz中的F离子丢失而被一个电子取代时，就会造成红绿吸收，而呈现紫色，从 而形成了色心。不同物质的分子振动对光谱特性有很大的影响，一般的固体物质的振动发生在大于2.5μm波长范围，Si—O、Al—O的分子振动就发生在10 μm波长范围。H2O有2.66μm、2.74 μm和6.08μm 3个基本的分子振动波长位置。不同物质间这种内在的微观差异正是成像光谱仪遥感实现地物探测的物理基础.矿物光谱吸收机理包括金属阳离子在可见光区 域的电子过程以及阴离子基团在近红外区域的振动过程。
2．1 电子过程
(1)晶体场效应和电荷转移
电子在原子或离子能级之间或元素之间的电荷 跃迁，产生吸收光谱。常见阳离子的特征吸收位置如下：
2.2 振动过程
阴离子基团伸缩或弯曲振动产生基频、倍频与合频。主要阴离子基团的振动吸收光谱如下：
3 矿物的可见一近红外光谱
3．1硅酸盐矿物
硅酸盐矿物中，电子成因的光谱大都是二价和三价铁离子和锰离子及铜离子的跃迁产生的；振动过程大都是水、羟基产生的。对主要硅酸盐矿物的 光谱特性分述如下：
(1)岛状硅酸盐矿物。橄榄石族(镁橄榄石、铁 橄榄石、锰橄榄石、钙镁橄榄石)，化学式为：(Mg、 Fe、Mn、Ca)SiO4，具有1.06μm，0.82μm，1.3μm，0.4μm，0.5μm，0.63～0.65μm二价、三价铁离子谱带；0.37μm，0.415μm，0.45μm，0.55μm锰离子谱带；0.73μm铁锰联合谱带。石榴石族矿物光谱特征见表1。
(2)群状和环状硅酸盐矿物光谱特征见表2。
(3)链状硅酸盐的光谱特征见表3。
(4)层状硅酸盐的光谱见表4。
(5)架状硅酸盐的光谱见表5。
3．2碳酸盐的可见一近红外光谱
碳酸盐矿物中，电子成因的光谱大都是由二价 和三价铁离子、锰离子、铜离子的跃迁产生的；振动 过程大都是水，羟基，碳酸根产生的(表6)。
4 、岩石的可见一近红外光谱
4．1酸性火成岩的可见一近红外光谱
火成岩的主要成分硅一氧四面体和铝一氧四面 体并没有光谱特征，其光谱都是杂质、包体、蚀变(如长石类的粘土化，云母、角闪石的绿泥石化、绿帘石化等)及替代成分产生的，主要为铁、水和羟基的光谱(表10)。
4．2中性火成岩的可见一近红外光谱特征
中性火成岩的可见一近红外光谱都是杂质、包体、副矿物、蚀变及替代成分产生的，主要为铁、水和 羟基的光谱(表11)。
4．3基性、超基性火成岩的可见一近红外光谱
基性、超基性火成岩的可见一近红外光谱都是 杂质、包体、副矿物、蚀变及替代成分产生的，主要为铁，水和羟基的光谱(表12)。
4．4沉积岩的可见一近红外光谱
沉积岩的可见一近红外光谱矿物中，电子成因 的光谱大都是二价和三价铁离子和锰离子及铜离子 和铬离子的跃迁产生的，振动过程大都是水、羟基、 碳酸根产生的(表13)。
4．5变质岩的可见一近红外光谱
变质岩的可见一近红外光谱，电子成因的光谱 大都是二价和三价铁离子和锰离子及铜离子的跃迁 产生的；振动过程大都是水、羟基、碳酸根、硼酸根产 生的(表14)。
5 结 语
近年来的研究更进一步认识到，光谱对地物化学成分和结构的微细变化非常敏感，地物微细的化学成分和结构的变化常常导致吸收位置和吸收形 态的变化。因此，地物的光谱特性在现实世界中是非 常复杂的。在早期研究中，这成为一大劣势。随着技术的发展和对地物光谱特性和迁移原因的深入探究 及知识的增加，这一劣势正转变为探究地物化学成分和结构及自然环境微细变化的强大优势。可以预料，随着对不同环境下地物光谱变化特性的深入探究，基于地物光谱微细变化的环境变化遥感定量探测的实用化技术将不断涌现。例如：由岩矿光谱特性提取岩石、矿石形成的成分分带和温度参数：Duke(1994)的研究表明，前寒武纪变质瓦克岩白云母因契尔马克(Tschermak)置换，二八体A1 的增加导致吸收光谱向短波方向迁移，在缺少其它变质级标志的情况下，将此运用于变质带的划分；辉石在 1 μm和2 μm处的吸收峰随主要元素Fe、Mg、Ca的变化，分别具有130 nm和500 nm的迁移幅度。单斜辉石／斜方辉石共生矿物对主要成分的变化是矿物形成的温度计。Clouds(1991)0将辉石地质温度计与辉石吸收光谱变异，对应吸收光谱分析矿物形成的古温度。对环境敏感的矿物及其光谱特征在不同环境下的变异更具有地质环境勘察意义。
参考文献：
（1）Tsuboi M．On the Positions ot the Hydrogen Atoms in the Crystal Structure ot Muscovite as Revealed by the Infrared Absorption Study CJ3BIluetin of the Chemical Society of Japan．1950，3l83～88．
（2） Sutherland G B B M．Infrared and X-ray Analysis ot Crystal Structure[A]．Nuovo Cimento Supplemento．I Serie CC3． 1955，10l635～641．
（3） Serratosa J P t Bradley W F．Determination of the 0rienta- tion of OH Bond Axes in Layer Silicates by Infrared Absorp— tion[J]．Journal of Physical Chemistry，1958，62{1164～ 1167．
（4）Fripiat J J．Application of Infrared Spectroscopy to the Study of Clay Minerals CJ]．Bulletin Groupe Francais Argiles， 1960，12i25～41．
（5） Vedder W，McDonald R S．Vibration of the OH Ions in Muscov／te[I]．Journal of Chemical Physics，1963，38：1583 N1590．
（6）Tuddenham W M，Lyon R J P．Infrared Techniques in the Identification and Measurement of Minerals C13．Analytical Chemistry，1960，3：1630~1634．
（7） Stubican V，Roy R．Isomorphous Substitution and I~xfrared Spectra of the Layer Lattice Silicates[J]．American Mineralogist·1961，46：32～51．
（8） Povarennykh A S．The Use of Infrared Spectra for the Deter— ruination of Minerals[I]．Am erican Mineralogist，1978，63： 956～959．
（9）Galley S J．Spectral Reflectance of Carbonates Minerals in the Visible and Near—Infrared(0．35～2．25 microns)l Calcite。 Aragonite， and Dolomite[J]．American Mineralogist，1986，71 t151～162．
（10）Galley S J．Spectral Reflectance of Carbonates Minerals in the vi8tble and Near—infrared(0．35～2．55脚){Anhydrous Carbonate Minerals CJ3．J Geophysics Research，1987，92 (B2)l1426~1440．
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