近紅外光譜技術(shù)在地質(zhì)礦物識(shí)別中應(yīng)用研究

俞延義

（青海創(chuàng)睿地質(zhì)勘查有限公司，青海 西寧 810000）

近紅外光譜通常是指波長在780納米至2500納米范圍內(nèi)的電磁波，是人類最早研究的不可見光源區(qū)域，現(xiàn)在此技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)、農(nóng)業(yè)，食品、石油等諸多領(lǐng)域。近紅外光譜是九十年代以來發(fā)展最迅速的一種光譜分析技術(shù)，是一種可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的“綠色”新興分析技術(shù)?，F(xiàn)代近紅外光譜主要依靠著分析速度較快、成本較低、效率較高、穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)成為在線分析的一種便捷有利工具。利用近紅外光譜識(shí)別地質(zhì)礦物的主要原理是：由于地質(zhì)礦物結(jié)晶產(chǎn)物的中原子之間連接的化學(xué)鍵發(fā)生彎曲、伸長收縮或跳躍式吸收一些其他區(qū)域的紅外光譜，生成吸收峰，利用地質(zhì)礦物中一些功能團(tuán)的特點(diǎn)對(duì)地質(zhì)礦物的品種進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)礦石的結(jié)晶程度和其中所含有的元素所占百分比的分析研究等。這一特點(diǎn)對(duì)于在野外勘探地質(zhì)礦物的研究人員提供了便捷的幫助。

1 基于近紅外光譜技術(shù)的地質(zhì)礦物識(shí)別方法

（1）建立礦物類中近紅外光譜鑒別模型。近紅外光譜分析是一種通過固定模型來鑒別、考量的二次數(shù)據(jù)分析方式，近紅外光譜采用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的辦法進(jìn)行建模，主要步驟分為如下幾點(diǎn)，首先實(shí)現(xiàn)預(yù)處理之標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)在固定范圍內(nèi)可以取得最佳效果，滿足最大利用率。使用預(yù)處理后的校正數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)主要成分的校正建模。其次在進(jìn)行固定地質(zhì)礦物分析時(shí)需要實(shí)現(xiàn)模型的校正，模型校正的準(zhǔn)確性直接影響近紅外光譜對(duì)地質(zhì)礦物識(shí)別的準(zhǔn)確性。最后采用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，以合成數(shù)據(jù)校正集進(jìn)行調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的性能。模型檢驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)后便可用于未知的地質(zhì)礦物樣品進(jìn)行識(shí)別，即提高了識(shí)別的種類，也可通過化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)地質(zhì)礦物模型進(jìn)行檢測識(shí)別，有需要時(shí)還可以進(jìn)行樣品的修復(fù)，定期進(jìn)行模型的更新，主要注重模塊化和反復(fù)利用性，方便及時(shí)將模型進(jìn)行優(yōu)化[1]。

（2）近紅外礦物光譜數(shù)據(jù)庫的建立 。不同的地質(zhì)礦物在近紅外光譜波段下有著不同的表現(xiàn)形式，但是光譜的識(shí)別信息能力依舊需要光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，且隨著地質(zhì)礦物的種類和數(shù)據(jù)形式越加增多，更需要建立一個(gè)既規(guī)范、又全面合理的近紅外光譜數(shù)據(jù)庫用來提高現(xiàn)代的光譜技術(shù)。在滿足近紅外地質(zhì)礦物的基礎(chǔ)上，首先設(shè)置參數(shù)，選擇地質(zhì)礦物數(shù)據(jù)庫，整理光譜數(shù)據(jù)的文件名稱，修改成具體所代表的地質(zhì)礦物名稱，執(zhí)行選定的純地質(zhì)礦物光譜分析的數(shù)據(jù)或名稱調(diào)入到設(shè)立的光譜數(shù)據(jù)庫內(nèi)，實(shí)現(xiàn)可以在名稱區(qū)域或備注區(qū)域進(jìn)行修改。這樣小型的本地近紅外光譜數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立完成，如果有相似地質(zhì)礦物的識(shí)別，只需要在近紅外光譜數(shù)據(jù)庫進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)近紅外光譜采集速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提高近紅外光譜對(duì)地質(zhì)礦物的識(shí)別和整理能力，在完成構(gòu)建地質(zhì)礦物樣品模型后，可以直接對(duì)識(shí)別的地質(zhì)礦物光譜進(jìn)行分析數(shù)據(jù)對(duì)比，若有相似光譜類型也可直接歸類[2]。從而在保證光譜識(shí)別能力提高的同時(shí)，大量降低人工工作時(shí)長，節(jié)省成本費(fèi)用，起到“一舉三得”的效果。

（3）地質(zhì)礦物的識(shí)別 。根據(jù)近紅外光譜識(shí)別模型的基本步驟，地質(zhì)礦物類識(shí)別可以概括為以下幾點(diǎn)，選擇足夠數(shù)量的地質(zhì)礦物樣品，可以采用進(jìn)行野外采集樣品的方式，選擇礦化有利的地點(diǎn)，進(jìn)行測量距離，布置采取點(diǎn)等前期工作。采集樣品兩點(diǎn)間的距離一般為十米左右，地質(zhì)巖石化或蝕變較嚴(yán)重的地點(diǎn)加密3m～5m，盡量選取代表性較明顯的樣品。利用提前構(gòu)建好的近紅外光譜技術(shù)識(shí)別模型，從采集的地質(zhì)礦物樣本中選擇有代表的校正集樣品，樣品應(yīng)包括地質(zhì)礦物的正品、次品和中等過渡品等，依靠標(biāo)準(zhǔn)方式所要求的測量校正集的地質(zhì)礦物樣品的性質(zhì)，準(zhǔn)確性較高。也可以利用近紅外光譜技術(shù)的波形進(jìn)行匹配也叫光譜角度匹配。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的近紅外光譜曲線依次進(jìn)行一階求導(dǎo)，去掉本底和噪聲，繼續(xù)求出兩者的平方差，平方差最小者即為相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫的地質(zhì)礦物。其中Q為平方差，n為近紅外光譜點(diǎn)數(shù)，X1i和X2i為數(shù)據(jù)庫中兩個(gè)的近紅外光譜。

兩段近紅外光譜的匹配程度與夾角之間呈反比例關(guān)系，得出夾角α與兩個(gè)非零向量A，B之間的計(jì)算公式。

匹配的程度越高，夾角越小，即兩段近紅外光譜的匹配程度越高。

2 地質(zhì)礦物取樣分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)

此次實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)地質(zhì)礦物詳查報(bào)告進(jìn)行樣品的采集，地質(zhì)礦物樣品通常是巖石礦物的混合，通常巖石均含有兩種或者兩種以上的地質(zhì)礦物，如果利用傳統(tǒng)的化學(xué)計(jì)量法檢測，情況比較復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)固定量的分析，本實(shí)驗(yàn)主要用傳統(tǒng)的檢測方式檢測同一種特定的地質(zhì)礦物的半定量分析，進(jìn)行地質(zhì)礦物準(zhǔn)確率的對(duì)比和識(shí)別數(shù)量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)如下。

2.1 識(shí)別準(zhǔn)確率對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為保證本文提出的近紅外光譜對(duì)地質(zhì)礦石識(shí)別的有效性，進(jìn)行多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)論證，為保證整體實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密性，首先采用傳統(tǒng)的地質(zhì)礦物識(shí)別方法，再采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)地質(zhì)礦石進(jìn)行多次識(shí)別，做出實(shí)驗(yàn)的對(duì)比數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)波形圖如下圖1所示。

圖1 識(shí)別準(zhǔn)確率對(duì)比圖

從圖1可以看出，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，近紅外光譜技術(shù)對(duì)地質(zhì)礦石的識(shí)別準(zhǔn)確率極高，且對(duì)比傳統(tǒng)方法的識(shí)別，近紅外光譜技術(shù)具有相對(duì)穩(wěn)定性，提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率約22.45%。

2.2 識(shí)別數(shù)量對(duì)比實(shí)驗(yàn)

首先采用傳統(tǒng)的地質(zhì)礦物識(shí)別方法對(duì)地質(zhì)礦物種類進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別后與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對(duì)比與可得出識(shí)別數(shù)量。再采用近紅外光譜技術(shù)對(duì)地質(zhì)礦石種類進(jìn)行同樣步驟的識(shí)別，做出實(shí)驗(yàn)的對(duì)比數(shù)據(jù)，如下圖2所示。

從圖2可以看出，經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)，相比傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)，近紅外光譜技術(shù)對(duì)地質(zhì)礦石的識(shí)別率較高，可以識(shí)別出更高的地質(zhì)礦石的數(shù)量，識(shí)別數(shù)量約提高30%。因此要加快近紅外光譜技術(shù)的創(chuàng)新。

圖2 識(shí)別數(shù)量對(duì)比圖

3 結(jié)語

本文對(duì)近紅外光譜技術(shù)對(duì)地質(zhì)礦石的識(shí)別方法及意義進(jìn)行分析，根據(jù)對(duì)地質(zhì)礦物識(shí)別的準(zhǔn)確率及識(shí)別數(shù)量的數(shù)據(jù)反饋和樣品分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方法具備極高的有效性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的技術(shù)對(duì)地質(zhì)礦石分析的不足之處。希望本文的研究能夠?yàn)榈刭|(zhì)礦石的識(shí)別提供理論依據(jù)。未來隨著地質(zhì)礦石的基礎(chǔ)研究的逐漸深入，以及近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也組件將為地質(zhì)礦物類的真?zhèn)舞b別提供新的方法近紅外光譜技術(shù)將發(fā)展成為全國最先進(jìn)的分析技術(shù)。