摘要
资源与环境始终是人类共同关心的问题。矿产资源是国民经济基础产业、国家战略安全的重要保障。在我国大力推进生态文明建设和地勘经费呈现持续下降趋势的大背景下,这对矿产勘查提出了新要求——如何在相对有限的经费、实现找矿突破的同时,保护生态环境、实现对生态环境扰动的最小化,是地质勘查面临的新挑战。探索新的经济、高效、绿色、轻便的勘查方式成为迫切的现实需求。由于矿床勘查评价分析主要是关注元素含量和矿物分析。便携式XRF(pXRF)具备近实时分析元素的能力,而便携式高光谱具备识别(蚀变)矿物的能力。因此,便携式X射线荧光光谱技术和高光谱技术作为绿色环保、快速、经济、野外现场实时的典型代表,可能是经费有限下要实现找矿突破的高效、绿色、经济的有效解决方案。前人对二者的研究主要见于非便携式的实验室大型仪器的研究,或者对两种便携式光谱仪器往往是分别单独使用,或即使两者同时使用的话也只是二者功能的简单叠加组合,并未有关对其进行实质性的光谱技术融合方面的深入研究,无法完全体现数据融合后的冗余性、互补性、时效性和经济性,如果能够充分有效地利用多传感器所提供的冗余信息,实现多传感器信息的综合处理,并在此基础上形成一个最佳方案,将能够快速解决实际中的问题。因此,立题“基于便携式XRF与高光谱的矿床快速评价方法研究”。在中国地质调查局武陵山成矿带酉阳-天柱地区地质矿产调查项目(121201010000150011-08)、中国地质调查局能源资源基地综合地质调查项目(No.DD20189507)和四川省国土资源厅科技基金项目(No.KJ-2016-7)资助下,在地质学、地球化学、统计学、遥感地质学、光谱学、化学计量学等多学科的指导下,分别使用pXRF对西藏安多县廷有铜矿的土壤地球化学勘探和pXRF与高光谱对黔西北地区新发现的沉积型稀土进行综合性快速评价,并在此基础上构建基于pXRF与高光谱的多源多尺度矿床快速评价方法体系,为新一轮的战略性矿产找矿突破提供支撑。研究得到了以下成果:(1)使用pXRF和实验室化学分析对西藏安多县廷有铜矿土壤地球化学勘探对比研究,发现pXRF测试的成矿元素与与室内大型仪器分析结果基本一致,误差在可接受范围内,能够很好地发现区域内的成矿元素异常,达到圈定异常的目的,具有高效、经济、无损、环保的优势,为高海拔、偏远、生态脆弱区的矿床快速评价提供了思路。(2)使用便携式高光谱仪对黔西北新发现的新类型大型沉积型稀土矿的实例勘查研究中,在采集室内高光谱结合化学计量学的基础上,以La元素为例,其反演结果与室内大型仪器的化学分析最佳结果误差在10%左右,能够很好的实现稀土La元素的无损快速检测,为稀土矿床快速评价提供数支撑。研究为“点”上沉积型稀土La元素的高光谱定量快速的反演研究提供了新的测试方法,为其他稀土土壤元素的光谱检测提供了思路,同时也为区域面积性的高光谱稀土资源的定量反演评价提供了理论依据。(3)在沉积型稀土矿床快速评价中,使用pXRF与高光谱分别对沉积型稀土进行矿床快速评价,并在此基础上进行了光谱技术融合后的综合性评价分析。①尝试性地对便携式高光谱仪与pXRF的效果进行了探讨,发现二者虽然精度各有差异,pXRF目前基本达到半定量(R~2达到0.92,平均相对误差25.11%,RMSE为32.41mg/kg),pXRF测试结果优于高光谱(R~2达到0.73,平均相对误差32.08%,RMSE为34.70mg/kg)反演测试Y的效果,二者总体的趋势与室内化学分析的结果一致。②通过X射线光谱与高光谱(Vis-NIR)融合进行稀土元素Y含量进行预测,发现OPF-CARS-GA-ELM预测模型效果最好,其R~2达到0.89,RMSE为17.71mg/kg,相对误差为14.59%。pXRF测试Y值与实验室测试Y值及OPF光谱融合估算Y值对比,三者总体趋势一致,与实验室测试Y值相比,光谱融合模型OPF-CARS-GA-ELM比pXRF效果更佳。③通过将所测的高光谱(Vis-NIR)曲线与典型矿物光谱曲线进行光谱曲线形态、主要吸收峰波长位置、吸收峰组合特征等进行了对比,从而对沉积型稀土典型剖面进行蚀变矿物识别及相对含量进行了计算,并在综合地面高光谱矿物蚀变组合与矿床地质特征,建立了矿床地面高光谱蚀变组合分布特征,指导矿床评价。(4)在以上研究的基础上,为了更加全面地发挥pXRF和高光谱各自的技术优势特点及其互补融合关系,构建了基于pXRF和高光谱的光谱多源多尺度地质-地球化学-高光谱矿床快速评价方法与技术融合体系,为新一轮的战略性矿产找矿突破提供有力支撑。