变质岩反射光谱特征

根据地物质波普特征，岩浆岩和沉积岩的反射强度有何规律~

岩石的反射光谱特征存在一些基本的特点：
(1)岩石中的反射波谱特征与矿物晶体中电子跃迁和分子振动有关。岩浆岩波谱特征与铁离子，羟基和水关系密切；沉积岩除上述因素外，还与碳酸根等阴离子有关；变质岩的波谱特征除与上述因素有关外，还与铁，铝等金属离子有关。
(2)岩浆岩的波谱反射率随岩石中二氧化硅含量的减少而降低，规律性较强；沉积岩中的碳酸盐岩波谱反射强度最大，碎屑岩次之，粘土岩最小；变质岩波谱反射强度随岩类变化的规律不明显。
(3)影响岩石反射强度的因素除了物质组分外，还有岩石的结构、构造、产地的自然环境。总之岩石表面粗糙、裂隙发育、湿度大，则图像颜色较暗，风化较深的岩石反射强度往往偏低。

4.3.1 岩性影像
相山铀矿田及近外围地表岩性主要有第四系、上白垩统、上侏罗统、震旦系及侵入岩或脉岩，在SFIM融合图像754波段合成的假彩色影像图上:
第四系冲、坡积物，呈灰黄色调，枝杈状影纹。
上白垩统南雄组红砂岩，呈黄绿色、青绿色，地势低平，浮雕状、粗脑纹状影纹。
上侏罗统鹅湖岭组碎斑熔岩，是相山矿田的主体，青灰色，中深切割的块状，相山西部呈菱形切割的块状，有的见树枝状局部密羽状影纹;山势较为高大，形成大山大脊，沟谷或陡峻或开阔，阴影明显，阴坡有的陡狭晦暗，阳坡多为宽缓明亮，水系网不发育，植被茂盛。
震旦系变质岩，是相山火山-侵入杂岩的基底岩石，分布在矿田外围，青灰色，中—浅切割的密羽状，不规则的斑块状山体地貌，坡、脊平秃宽缓，水系网不太发育，但植被茂盛。
白垩纪花岗斑岩主要为灰黄色，丘陵残山地貌，珊瑚状影纹，树枝状水系发育。
白垩纪流纹英安斑岩为青灰—灰褐色，低山丘陵地形，具不太完整的羽状纹理，植被发育。
加里东期或燕山早期花岗岩，青灰—灰黄色，丘陵残山地貌，不规则爪状山脊，树枝状水系较发育，但植被不太茂盛。
岩性影像特征主要表现为不同岩石的纹理特征，色调对岩性的识别意义不大。
4.3.2 基于主分量分析的岩性识别研究
主分量分析又称主成分分析，在计算机处理中也可谓K-L变换。ETM+或TM数据在图像处理系统中经K-L变换将ETM+或TM图像转变为一组互不相关的表征函数序列，目的在于压缩ETM+或TM的波谱维数、突出地物类别、提取有关的岩性信息。
对未经融合的原始图像进行主成分分析，特征向量矩阵如表4.7所示。
(1)在KL1主成分上，6个波段均为正值，其中第5波段贡献最大，其次是波段7，波段4、3也较大。总体说，KL1主成分反映的是图像6个波段的加信息，反映在KL1图像上，主要表现的是亮度信息和地形信息。
(2)在KL2主成分上，波段4为加信息，贡献最大，波段3为减信息，KL2主要是波段4、其次是波段3的体现。KL2图像主要反映的是植被信息。
(3)KL3主成分是波段5、7的和减去波段1、2、3、4的和的线性组合，各波段对KL3主成分的贡献相差不大，波段4、7略小些。KL3图像是岩性或蚀变信息的最集中的体现。
(4)KL4主成分是波段1、2、3、5的和减去波段4、7的和的线性组合，其中波段7与KL4负相关，波段5与KL4略呈正相关。KL4主成分也含岩性或蚀变信息。
(5)KL5主成分主要反映的是波段3的加信息和波段7的减信息。
(6)KL6主成分主要反映的是波段2的加信息和波段1、3的减信息。波段2贡献最大。
表4.7 主成分分析的特征向量矩阵


KL3或KL4主成分图像，或KL3、KL4与其他主成分的RGB合成图像，均难以准确识别相山地区的岩性或蚀变信息。KL1、KL3、KL4的RGB合成图像色调明快，层次清楚(图4.4)，但与相山地区地质图(见图1.1)比较，距岩性识别分类的要求相差甚远，甚至还不如以纹理为主要标志的岩性识别效果。

图4.4 KL1、KL3、KL4主成分RGB图像

4.3.3 岩性遥感分析的局限性
岩石的光谱特征，从理论上可以表示成它的矿物颗粒的种类与比例、它们的大小和形状，以及它们的空间分布和填充密度的一个复函数(周成虎等，1999)。G.R.Hunt(1977，1982)详细研究了岩石的可见光和近红外光谱行为，认为:火成岩的主要成分硅氧四面体、铝氧四面体本身没有光谱特征，因此光谱中出现的任何特征都是岩石内其他成分产生的。它们以替代成分或杂质成分的形式存在于岩石中，这样的光谱特征与火成岩的基本分子结构没有直接的关系，而仅仅是火成岩组成方面的间接标志。
在沉积岩和变质岩的光谱曲线上，所表现的光谱特征的成因，与火成岩相似，也非常有限，不外乎是含碳酸根、羟基、二价或三价铁离子的矿物的谱带。在许多情况下，这些光谱特征是作为杂质或胶结物出现的岩石组分产生的，所以光谱特征也常常只是岩石成分的一种间接标志。
岩石中不透明矿物或碳质的含量会使岩石反射率下降，也会对光谱特征起抑制作用。
燕守勋等(2003)对矿物与岩石的可见—近红外光谱特性进行了综述，认为岩石的吸收光谱都是杂质、包裹体、蚀变及替代成分产生的，主要为铁、水、羟基、碳酸根、硼酸根的光谱，使得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勘查意义。
岩石的结构构造、空间关系(纹理)对岩性识别有更明显的效果，比如:①岩浆岩体一般具有比较规则的平面几何形态，如圆、椭圆形、透镜状、脉状等;②除少数熔岩外，岩浆岩多数缺少层理影像特征;③侵入岩在图像上往往具有环状、放射状等类型的水系、节理或岩脉等;④沉积岩平面几何形态为条状或带状，具有明显的层理影像特征;⑤一组有序分布的沉积岩常构成颜色各异的层状影像特征;⑥变质岩的影像特征一般与原岩组分及其变质作用过程新物质的加入和结构的变化有关，如果它是正变质岩，影像特征类似岩浆岩，如果是负变质岩，其影像特征则与沉积岩影像特征比较接近(周成虎等，1999)。
根据上述岩石的部分成分和结构构造对光谱的一些响应，通过图像处理，如比值分析、主成分分析、对应分析等，增强岩石光谱特征之间的差别。在植被覆盖区，可进行粗略的岩性识别，对区分岩石大类是有一定效果的，但小于1∶50000的地质填图的市场前景或实际意义不太大。
20世纪80年代中后期，随着成像光谱技术的开发与成像光谱仪的研制成功，以Clark等(1990，1999)为代表，更进一步深入地研究了岩石矿物的光谱特征和处理技术，开发出大量的岩矿信息识别与提取技术，发展了最为典型的成像光谱信息提取软件Tetra-cord。但是，由于:①岩石光谱学理论基础研究薄弱，岩石光谱反射物理模型尚未建立起来;②矿物的光谱特征研究取得了长足的进展，建立了多种矿物的光谱数据库，但矿物光谱数据库对识别岩性到底能起多大作用尚不知道，因为岩石的光谱属性更多地表现为矿物光谱的非线性混合(承继成等，2004);③自然界岩石种类极其繁多，岩石成分和结构构造极其复杂，岩石光谱特性受其成分、结构构造、后生变化和土壤植被影响极其明显，使每种岩石都难以形成像它的组成成分那样具有可分辨的很清晰的光谱特征(周成虎等，1999)。因此，在植被覆盖区，单纯利用岩石光谱信息进行岩性识别受到严峻挑战。
遥感信息提取方法技术是基于岩石光谱基础研究之上的，只有掌握岩石光谱形成机理、建立岩石光谱反射物理模型，才可能发展相应的遥感岩性识别技术方法。目前，仅根据空间分辨率还不是很高的多光谱来提取矿物含量和化学成分、分析矿物内部晶体结构，从而达到直接识别岩性尚不能实现。利用高空间分辨率的高光谱遥感技术识别岩性是一条值得探索的途径，但在植被覆盖区仍有受植被干扰的问题，尚需深入研究。

变质岩在可见光、近红外、短波红外波段的反射波谱特征，与组成变质岩的矿物成分有关，主要是铁、锰、铜等金属离子和羟基、碳酸根离子及水引起的，图 7-10 展示了典型变质岩实验室光谱特征。三价铁离子的宽波段吸收特征非常明显，如透闪石片岩。水和羟基 ( 1. 4 μm 和1. 9 μm) 的吸收特性在片岩、大理岩和石英岩中都得以体现。大理岩还表现出是碳酸根的吸收波段 ( 1. 9 μm 和 2. 3 μm) 。各类变质岩反射率高低一般与组成变质岩的浅色矿物、暗色矿物含量有关。主要由浅色矿物组成的变质岩 ( 如石英岩、大理岩、混合花岗岩) ，它们的风化面颜色一般较浅，反射率偏高; 而暗色矿物含量较高的变质岩 ( 如黑云母片麻岩、角闪岩等) ，它们表面风化颜色偏深或呈黑色，反射率偏低。

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