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热红外遥感技术在研究地球表面物质成分中的应用_图文

热 红 外 遥 感 技术 在 研 究 地球 表 面

物 质 成 分 中 的 应 用
侯 渭
?

研 究地 球 表面 物 质 成 分最 基 本 和 可 靠 的 方 法是采 集土壤


根 据 克希 荷 夫 辐 射 定 律

,


,

物 体对 红外线


岩石 的样 品进行分 析






不透 明并 处于 热 平 衡 时




,

‘,


,







但 这 种 方 法 成 本高
,

周期长

,

所 以 研究

分 别 代 表 波 长 为 几时
,

物 体 的 红 外 发射


的范 围受 到很大 的 限制



自从 空 间 技 术 发 展 高速度 地 获得地 球


率和反射 率
为最 小 值 置

,




,

为最大值 时

必 然
,

起来之后



遥 感 技 术也 逐 渐 应 用 到 地 学 中来


所 以 矿 物 残 余 射 线效 应 的 波 长位

遥 感 技术 能大 面积
,

必 然 是 矿 物 红 外 发 射 率最 小 值 的 位 置

表面 的成分 信 息

其 中热 红 外遥 感 技 术 对 于

也 就 是矿 物 红 外 发射谱 中吸收 峰 所 在 的 位


研 究地 球 和 行 星 表 面 的 物 质 成 分 最 为有效



矿 物 残 余 射 线 效 应 产 生 的 波 长 位 置 与矿

利 用 热红 外 发 射 谱 研 究 矿 物岩石 的 物 质 成分
,

物 晶 格在热红外范 围的主要振动 频 率 有 关
以 下 简 称 为振 动 频 率


各种 矿 物 都 具 有

自己 特 定 的 振 动 频 率
的残余射线效应
,


,

因此 也 具 有 自己 特 定

目前

热 红 外遥 感 所 使 用 的 方 法 都 是 以

,

具 有 自己 特 定 的 热 红 外 发

测 量地物发射 出的热红外 辐射 为基础 的 此 研 究 矿 物 和 岩石 的热 红 外 发射 谱 它 们 来 鉴 定矿 物


射谱






列 举 了 几 类矿 物 在 热 红 外 范 围 的

并应 用

振 动频 率

研 究矿 物 的 热 红 外 发 射 谱 实 际 上
,

分 辨岩石 就 成 为一 项 重 要

就 是 研 究矿 物 的 残 余 射 线 效 应

即 研 究矿 物

内容



各 类 矿 物在 热 红外 范 围 的 晶 格振 动 频



矿 物 的 残 余射线 效 应
物 硅



用 波长表 示

了 年尼 科尔 和 鲁宾 在 研 究矿 物 的红 外 了





振动 频率

波 长 微米

反射 现 象时发现
段范围内
面而发生反射 时
,

当一 束 多 色

即在较宽 波






的红 外 线 照 射 到 一 个 结 晶矿 物 表 其反射 的红 外 线在 某 些 特 一个窄的 波段 内

玻璃 状 硅 酸盐 链 状 硅 酸盐
链状硅酸盆 层 状 、土 酸 盐









一川
】 一

定 的 波 长范 围

,


得 到 加
,

这 种现象 称 为 残 余 射 线 效 应

在 红 外 线 技 术 发 展 的 早 期 阶段
,




去 拉

一 一

就是 利 用矿物 的这种效 应

使 用一 系列 晶体


硝 硫


西 炙


去 片

来 产 生 给 定 波 长的 红 外 线 的

一 一

矿 物 在 某个 波 长 上 发 生 了残 余 射 线 效 应
,

矿 物 在 这 个 波 长 的 红 外 反 射 率 就最 大
,



气化铁

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红 外 发射谱 中吸 收 峰 的 特征




矿 物 和岩 石 的 热 红 外 发 射 谱 实 例
,

一‘

奄 夭

厂 产

?



’、

岩 石 是 由矿 物 组 成 的

岩 石 的 粉 末样 品
,

、 当

、、 、 、

可 以 看 作几 种矿物的 机械混 合 物

因此矿物


, , ,,

的 红 外 发射 谱 是 解 译 岩 石 热 红 外 发 射 谱 的 依





、 了



是 非硅 酸 盐矿 物 的发射 谱
,


,







、 、 、 、



? ,


几 种 硅 酸 盐矿 物 的 发射谱
品 在 室 外 条件 下 测 得 的

是 用矿 物粉 末 样
,

总 的看 来 硫酸 盐




碳 酸 盐矿 物 的 发 射 谱 比 较 简 单 个 吸 收峰
比较 窄
, ,

一般只有一

有的可 以 有 两个 吸收峰


吸收峰

峰 两 侧谱线较 陡

硅 酸 盐 的 发 射谱

一 厂 门 门

引 一 「门







,

,,

,





,

几 种 硅 酸 盐 矿 物 的 发射谱
相同 石英 几 的吸收峰用 的 吸 收 峰用 表 表 示 参 见下表

箭头表 示 与 图 示 条纹 长石


石英








吸 收 峰 位 置 括号 内为 次 要 吸收 峰 波 长 微 米
,

条纹 长 石



石榴 石 钙 铝 榴 石

比较复杂

,

一般有 两个 以 上 的 吸 收峰

,

吸收

峰比较宽


,

峰 两 侧 谱 线较 缓




岩石 发 射 谱 一 般 使 用 岩石 的 新 鲜 破裂 面
或者 锯 开 面



表示‘ , 为

微米

磨 光 面在室外 条件下 测得





几 种 非 硅酸 盐单矿 物 的 发 射谱
, ,

石 的 发射谱 可 以 看 做 组 成 岩石 的 几 种矿 物 发


为 了 便于 比 较

在 垂 直 方 向 作 了移 动 垂直 箭 头 。 水 平 箭 头 二 卯 参 见 下表



射 谱 的迭 加

,

因此 岩 石 的 发 射 谱 能 反 映 出矿


物 成 分 及 相 对 含量 的 变 化



是 一 组花 岗










吸收 峰 位 置 要的 吸收 峰

括 号 内为 次 波 长 微米

岩 的 发射 谱


,

其 成分 相似
,

与图
,

比较


可 以 看 出 这 一 组发射 谱 主 要 几个谱 的形 态

硫 酸 盐 石膏 晶体
碳 酸 盐 方 解 石 晶体 白云 石
孔雀 石
,

受石 英 和 长 石 吸 收 峰 的控 制 基本相似 与 富 长 石 花 岗岩
相比

,

但 富石 英 的花 岗 岩

发射 峰 位置 和

谱的形状差 别较 大

李 了

前者 主 要 的 吸 收 峰 在
微 米的吸 收峰也 比 较
,

微 米附近

,

清楚

,

而 后 者 因 富 含 长石

所 以 主 峰在

了。

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微米

,

微 米 附近 的 峰 很不 明 显


,



米 附近 则 形 成 一 个 宽 带


硅酸 盐 岩 石 热 红 外 发射 谱 与岩 石
成 分的关系

描 述 岩石 的热 红外 发 射 谱 主 要 从 两 方 面

入手

吸 收 峰 的 波 长位 置
,


发射最 大值 因此 也可 以 用 光谱对 比

一 般位 于 最 大 吸 收峰 的 左侧

发 射 最 大值 波 长位置 表示 度



光谱对 比 度 越



,

平 均发射 率越 小


,

因此 也可 用 平 均 发射

率来 表示

硅 酸 盐 中二 氧 化 硅 和 铁 镁 质 的 含 量 对 发

射谱 的影 响 较大
增高





从 酸 性岩 到基 性岩
,


,

岩石

中二 氧 化 硅 含 量 逐 渐 减 少
,

铁镁质 含量逐渐

,

因而 发 射 谱 做 相 应 变 化

一 一

可以看 吸 收

几 个 花 岗岩 的 室 外 发 射谱
标明
和 划 阴影 的是石 英 的 吸 收

出从 花 岗岩 粗 面 岩 玄 武 岩 橄 榄 岩
峰逐渐 向 长波 方 向移 动 小


,

箭头 表 示 同 图 峰 参见 下表

光 谱 对 比 度 由大 到

而 橄 榄 岩 的 光 谱 对 比 度 比 玄 武 岩 又 略有










富 石 英 花 岗 岩 灰 色 粗 粒 花 岗岩 茶色


粉 红 色 花 岗岩



缨 …
?


‘,



?


?



?

波长

微米

,

。,
。,

” ”

?

?

,

暗 灰 色 粗 粒花 岗岩

富 长 石 花 岗 岩
暗 灰 色 细 粒 花 岗岩

—卫些
增高








星吐

用 岩 石 发射 最 大 值 波 长 和 平 均 发 射 率作









,

图 更 能 够 明 显 地 说 明上 述 变 化 规 律
、火







玄武岩
一一一一

各类 岩 石 在 图 中 的 位 置 与 其 矿 物 成 分 关 系 密




洲 铃 饵 如
?

,

如在 基 性岩 分 区 中


,

左 边 岩 石 含石 英 和
而 右 边 岩 石 含 辉石
,

榔 投岩

斜 长石 的 数 量 几 乎 相 等
和 橄 榄石 数 量 较 多

,

在超基性岩分 区中



石 含 更 多 的 橄榄 石
手匕 冈 刁三
声卜 口
一 ‘


,

最右边 的岩石实际上是

纯 橄榄 岩

波长 微 米



李 图
粒 度均 为


。一

应 用 热 红 外 发射 谱 确 定地球 表面 物质 成 分

微 米 的 岩 石样 品 的 发射 谱

以 上 所 介绍 的 岩 石



矿 物 的 热 红 外发射

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舫 的 乃
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尹 乡

, 。

,



— 衬分



,



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吐巴

州 一 欲 ) 酮 如 决

发射最 大值 的 波长 微 术



粒度 为 一 微米 的 岩 石样 的 发 射 最 大值 和 一 招微 米 范 围 内 的 平 均 发 射 率关 系 图
发 射 谱是在
,
,

真 空 中测 定的 花 岗岩 流 纹 岩 浮 石 珍珠 岩 酸 性岩 中 性岩 口 闪 长岩 安 山 岩 粗面岩 正 长岩 , 响 岩 价二 长 岩 安 粗岩 令 花 岗闪长 岩 基 性岩 ▲ 长岩 玄 武岩 △ 绿 岩 甲 斜 长 岩 辉 辉 超 基 性岩 橄 榄岩 辉岩
, , ,
,












谱是 在光谱 仪十分接近样 品表 面 时测 定的 这种 测量 操 作 简 便 并能进 行反 复测 定


,



同时

一一

还 能 够 对 岩石 表面 的矿 物 百 分 含 量 进 行 统
这样 得 到 的 岩石 发 射谱 不 仅 是 设计 制造
,



一 一 山 一一一一‘ 一石





间有
,

带 比例

热 红 外 传 感 器 的 一 项 重 要 考 虑 内容 要依据


也 是进

岩 石 中二 氧 化硅 含 量 与 带 比 例 关 系 图
,

行 图 象 的 地 质 判 读 和 设 计 图 象 处理 方 法 的 重
将 感 测 到 的 红 外 发 射 谱 与 已 知 岩石
物 的热 红 外发 射 谱 进 行 比 较 测对象的成分 云 的发 射 谱
, ,

个 圆 点 代表 一 种 岩 石 岩 石 中 二氧 化 硅 含 量 与 刀 一 定 的 反 消 长关 系
,







因此 二 氧 化硅 含量 与 长关 系
图象
,

之 间有一 定 的 反 消
,

可 以 判断所感



,



根 据 带 比 例 大 小所 作 出 的



例 如通 过



水手

飞船上

值大 的 岩石 为亮 色调


反之 为 暗

的光谱 仪 所感 测到 距 火 星 表 面 通 过比较


。 里尘埃 公

色调



这 样 就 能 从 比 例 图 象 上 反 映 出 岩石 二
例 如 在 美 国 俄 克拉 何 马 采石 场 的 中
,

,

认 为尘 埃 云 的 成 分

氧化 硅 含量 的差 别
州 米尔 克里 克

类似 于硅酸 盐粉 末

硅 酸 盐 发 射 谱 吸 收 峰 位 置 随二 氧 化硅 含
量 变 化 发 生 有规 律 的位 移

,

宽 带遥 感 实 验 所 获 得 的 比 例 图 象 上 部分是


最暗的

根 据 这一 现象



,

最低 的岩石
,

,

即二氧化硅 含 量 最
,

在 中 宽 带 热红 外遥 感 中常 采 用 比 例 技 术
制 成 比 例 图 象 来 分 辨 岩石 一般将 微米作为
一带
,


,

高 的 部分

,

结 合 当地 地 质 情 况


这 部分岩石

是石英 砂岩及 其碎块 通
碎 块 与 周 围 的 白云 岩 区 分开 了



从而 把石 英 砂 岩 及 其 灰 岩 在 图 象 中清 楚 地



微 米 作 为二 带

过 数 字 处理 求 出 一 带 和 二 带 的 辐 射 强 度 之 比
,

,

,





,



,

,

,

,

专上




一“

和一 分别为 曰 ,
,









带和二 带 的 曰 一









辐射 强度 比 低
,

含二氧 化硅 高 的酸 性 岩一 般


一 般 把 热 红外 传 感器 的 通 道 为 一 微 米 的 遥 感 叫 做 宽 带 热 红外 遥 感 宽 带 热 红外遥 感 能 作 出热红外 影 象 图 把 一 微 米 分 成 若 干 一 微 米宽 的 通 道 进 行
,


所以尸 较低

反之
,

,

二氧化 硅 含
较高


遥感 叫做 中 宽带 热红 外 遥 感
义能 作 出 诸 线


,

这 种遥 感 既 有成 象 能 力

,

量较 低 的 岩石 一 般

比乙 高 所以

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,

因此 这 三 类 岩 性 易 于 在 影 象 中 分 辨
,










从热 惯 性 图 分辨 岩 石 类 型
或行星 表面
,

粘 土 岩 中所 夹 的 石 膏 层 岩 盐 层 而 能 与粘 土 岩 区 别


铁矿 层 及 含
,

铀 的粘 土夹 层都 比一 般粘 土岩 色调 明亮

热 红 外 传感 器 接 受 地 物




微米整个热红外波段 的 辐射
,


经过

又如在美 国俄克 拉 何 马 州 阿 巴 克 尔
山脉 的 航空 热红 外遥 感 实 验

放大和 光 电转换

用胶片 记录 下 来所得到 的

热红外 影 象 叫做 热 图 或 热 惯 性 图
复盖和 岩石裸 露 的地 区


在 无植 被


成果 的解 译 过 程 中
成 理 论 冷 却 曲线


,

用热 惯性和 反 照率值绘
了所示
,
,

,

可 以 把热惯性 图看

如图
,

白 天 由于 白
,

作 岩石 辐 射 热 红 外 能 量 大 小 的 反映
‘ 芬 波 尔兹曼 定 律万 一 ‘ 了


从斯 蒂

云 岩 比 灰 岩 的 热 惯 性大
因而 二 者 温 度 相差不 大

反照率 比灰岩 低
,

为辐 射通 量


下 午两 点时几乎温
尤 其 在 黎 明前


密度

,



为平均 发射 率

,



为斯 蒂 芬 波 尔 兹 岩石 辐

度相同



而 日落 后 温 差 变大 左右

曼常数

,

为物体温度


可 以看出

清晨

温差达 到最大
,

在黎 明前


射 能 量 的 大 小取 决 于 岩石 的 平 均 发 射 率 和 岩

的 影 象 中 白云 岩 比 灰 岩 明 亮

在 两者 为 互 层

石的温度

岩 石 的 平 均 发 射 率 是 由 岩石 的 红
, , ,

的 地 方 可 以 在 影 象 上 勾 划 各 自的 轮 廓

外 发 射 谱 的 特 征 决 定 的 一 般说 来 碳 酸 盐 的
平均发 射率 比 硅酸 盐高 率 比酸 性岩高 米范 围 的温度 影响外
,

基 性岩 的 平均发射
产 ( 翻 通




岩石 的温度主要 指 表面几 厘
这 个 温 度 的 高 低 除 受 日照 的






?



天 之 内温 度 的 变 化 主 要 取 决 于 岩
,

石 的热特 性
种度 量
,

一般 用热惯 性 这个 量 来 表征
,

热 惯 性实 际 上 是 物 体 阻 碍 本 身 温 度 变 化 的 一 它不能 直接 测 定
、 、 。

而 能通 过测量 岩

,

( 一 口 弱 以



用公式 石 的热 导 率 比 热 密 度 。 士 计 算得 出 其 中 为 热 惯 性
,

为热
,

导率 盐


,

为比热


,

为密度

,



总的看来

碳酸

石墨

岩盐

磁 铁矿 的 平均 发 射 率 和热
因此 在 夜 晚影 象 中这 些 岩


惯 性都 相对 较 高

类 常 常 表 现 出 比 其 他 岩石 的 色 调 明 亮




天的 影响
在 向阳坡

,

色 调明 暗


,

主要是 受地形影 响
,

,

由于 太 阳 照 射 使 岩 石 温 度 升 高
,

,


,


中午
日 间 寸

根据斯蒂 芬 波 尔兹曼 定律 物体温度越高
其 辐射 热红 外 的通 量 密度 也 越大

因此 向阳

坡 为亮 色调 后
,

,

而 背 阳坡为暗 色调
,




太阳西下



白云 岩 和 灰 岩 一 天 内温 度变 化 曲线
从 图 中可以 看出 凌 晨 温差 最 大


岩石 在 夜 间 又 经 热 扩 散
,

同一 岩石 背 阳

,

白 云 岩和 灰岩 中午温趁 最小

,

坡和 向 阳坡温度基本达到 一 致
的影 象 中


因此 在清 晨

色 调 的 明 暗 最 能 反映 岩石 在 热 特


由传 感 器 所 测 量 的 表 面 辐 射 可 以 推 导 出

性方面 的差异

例 如在埃 及东部卡 特拉 尼
,

所感 测 表面 的 辐射 温 度 略 表 面 发射 率
,

,

即 亮度 温 度



在忽
,

沙 漠 地 区 的 航 空 热 红 外遥 感 实

大气 吸 收等 因素 的 条件下
,

验所 获得 的 夜 晚 影 象 中灰 岩 为 亮 色 调



粘土

假 定 辐射 温 度 等 于 表 面 温 度 接 测量 表面周 日
即一天 内

这样就可 以直 温度 变化


砂 岩 的灰 色 色调

,

松 散 的 干 砂 为黑 色 色



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本 包 裹 体 研 究 简 况
只做 过 少 量 的 气 液 包 裹 体 成 分 工 作 和 包裹 体
,

日本 地 质 学 家 代 表 团 应 中 国 地 质 学 会 的

邀 请 由 团 长立 见 辰 雄 率 领 十 九 日访 问 了 中 国
见辰 雄 外
,




于六 月 四 日至 二
,

中 些矿床 除表

中的 在 日本


同 位 素工 作
,



代表 团一行三人

除立

利用 包裹体研究方 法测定 了一 见表

,

还 有 石 原 舜 三 教 授 和 武 内寿 久 你
,

岩石 的形成温度和盐度
,

教授



武 内寿 久 称 教 授 是 日 本 包 裹 体 委 员 从事矿床 学 和矿 物 中 包 裹 体 研


所列外

尚对 日本 特有 的 黑 矿

矽卡
,

会 的主席





伟晶岩

,

以 及 火 山 岩 和 花 岗岩 作 了 温 度






我 们 与 武 内寿 久 你 教 授 进 行 了座 谈
,



和 盐 度 的 测定 见图


并 且在 系统取样 的 基础 上

将 有关 情 况 总 结 如 下

仪 供 有 关单 位 同 志 参

研 究 了 一 些 热 液矿 床 的 成 矿 热 液 的 流 动 方 向









日本 包 裹体 研 究 概 况

,





包 裹 休研 究 的 有 关 方 法

日本 包 裹 体 研 究 开 始 是 在

及 其 注 意事项
武 内寿 久 你 教 授 在 我 国 参 观 了 三个 包 裹
根 据 武 内寿 久 称 教 授 访 华 时 与 地 化 价 同 志 座 谈 纪 录 整理



年 以后发展较迅速



目 前 在 日 本 大 约 有 十个

单 位 在 从事 这 方 面 的 工 作

见表

,

主要


是均一法和冷冻法



少数单位 只有均一 法

一方面 还可 以 通 过 模拟 表面 的受 热 过 程

,


主 要 参 考 文 献
,

立适 当的 热模式



这 两方 面 相 结 合 也 能 推 导
,

出表面 物质 的热 特性 研究


即热惯性



通过热惯
,

,





,

性 的 确定 可 以 对 地 球 和 行 星 表 面 的 物 质 进 行
综上所述
,


,



,



热红外遥 感 能 提供丰富 的
,




多方 面 的 成 分 信 息

并 且 可 以针对不 同 的 感 加
,



,

测 对 象 选 用不 同 的 图 象 处 理 和 解 译 方 法 上热红外遥 感具有 全天 时
,


,
,

受 大 气 影 响 小等






,

,

特点

,

对 于远距离

,

大范 围地 研究地球 和 行
,


,

,

星 表面 物 质成分 是一种 很有前途 的方 法

,





,

,

对 于地 质工作者来 说
,

要 做 好 热 红 外遥



,

感 成 果 的 解 译 最 重 要 的 是 深 入 地 研 究 岩石



,

,

,

矿物



土壤在 实验室和 野外 的热 红外发 射谱


,

和 它 们 的 热特 性 知到未知
,

不 断 积 累数 据

,

才 能从 已



使 热 红 外遥 感 技 术 发 挥 出 更大 的





,

,



作用



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