高光譜成像技術(shù)在地礦勘查研究中的應(yīng)用

具有高空間和光譜分辨率的SisuSCS/ROCK高光譜成像工作站，代表了世界領(lǐng)先的高通量、非損傷多樣芯高光譜掃描分析技術(shù)，可對(duì)巖礦樣芯或其它地礦樣品進(jìn)行批量快速檢測(cè)分析。它在地礦勘查研究領(lǐng)域的出現(xiàn)，預(yù)示著從鉆孔到沉積尺度的樣芯、巖屑、土壤和其他地礦樣品的定量礦物學(xué)研究和繪圖將發(fā)生一場(chǎng)技術(shù)革命。
 

案例一、油砂樣芯的高光譜特征研究

油砂（Oil Sands）是一種天然含有石油的砂或砂巖，可用來(lái)提煉重油和瀝青。世界上85%的油砂集中在加拿大阿爾伯塔省北部地區(qū),主要集中在阿沙巴斯克（Ashabasca）、冷湖（Cold Lake）和和平河（Peace River）三個(gè)油砂區(qū)。

油砂樣芯的準(zhǔn)確開采是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程，因?yàn)樵陲柡蜑r青地層中很難看到沉積和生物成因特征。加拿大阿爾伯塔大學(xué)地球與大氣科學(xué)系Michelle Speta等研究人員，利用SisuROCK高光譜成像工作站對(duì)一批油砂樣芯進(jìn)行了掃描成像。通過(guò)對(duì)光譜圖像的分析表明，在短波紅外（SWIR）波段中，它可以“穿透”表面薄薄的瀝青，并輕松地識(shí)別出用肉眼無(wú)法看到的結(jié)構(gòu)和纖維。在光譜數(shù)據(jù)中，研究人員確定了與巖相相關(guān)的最廣泛的光譜類，然后用于創(chuàng)建基本巖性圖。還利用現(xiàn)有的光譜模型繪制了用于確定瀝青含量的礦石品位分級(jí)灰度圖。
 

圖1.1（左圖）：左半部分是肉眼觀察到的高品位油砂樣芯，右半部分是SWIR的彩色合成圖像。紅外圖像可以“透過(guò)”瀝青層“看到”樣芯內(nèi)部，揭示樣芯并不像肉眼看到的那樣均勻。
圖1.2（右圖）：脫水油砂樣芯瀝青飽和砂（上部）和頁(yè)巖（下部）剖面的特征光譜。
 

定量信息如飽和油層的瀝青含量，通常使用顏色指數(shù)來(lái)估計(jì)瀝青的重量百分比，其中1-5 wt %為低品位礦石，5-10 wt %為中品位礦石，10-15 wt %為高品位礦石。

然而，為了得到精確的結(jié)果，必須收集樣品子集并送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總瀝青含量（TBC）測(cè)定方法稱為DeanStark分析。該方法是一個(gè)昂貴的過(guò)程，周期也很慢。本研究使用SisuROCK批量掃描了相當(dāng)于覆蓋40組Dean-Stark采樣間隔的15盒樣芯，首次嘗試開發(fā)預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于脫水樣芯樣品，相關(guān)系數(shù)R2 = 0.67，初步分析結(jié)果達(dá)到了較好的預(yù)測(cè)效果，為油砂精準(zhǔn)開采提供了判斷依據(jù)。

案例二、高光譜成像評(píng)估樣芯礦物豐度

為了發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)礦床，每年在勘探活動(dòng)中都要進(jìn)行大量的鉆探，而鉆探樣芯繪圖成為必不可少的一步。使用礦物析出分析儀（SEM-MLA）進(jìn)行基于掃描電鏡的礦物圖像分析，可提供詳盡的高分辨率礦物繪圖，但只能應(yīng)用于在較小的鉆探樣芯。短波紅外（SWIR）高光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)，作為傳統(tǒng)鉆探技術(shù)的補(bǔ)充，可為礦物學(xué)特征研究提供一種快速、無(wú)損、高通量的分析方法。

德國(guó)弗萊堡Helmholtz資源技術(shù)研究所Laura等研究人員，基于sisuROCK高光譜成像和SEM-MLA數(shù)據(jù)，提出了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并將定量的SEM-MLA礦物學(xué)研究提升到鉆孔樣芯規(guī)模。通過(guò)這種方法，可以得到整個(gè)樣芯樣本的準(zhǔn)定量圖。通過(guò)使用基于高光譜掃描成像數(shù)據(jù)采集和機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)模型，研究者提出了一種可提高結(jié)果的透明度和再現(xiàn)性的升級(jí)方法。利用隨機(jī)森林（RF）、支持向量機(jī)（SVM）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）回歸模型對(duì)5個(gè)不同訓(xùn)練數(shù)據(jù)的樣芯樣本進(jìn)行了測(cè)試。所得的礦物豐度圖可進(jìn)一步用于礦物共生組合等礦物學(xué)參數(shù)的提取。

為了測(cè)試所提出的方法的可靠性，研究人員分析了來(lái)自Bolcana斑巖銅-金體系不同位置的5組樣品，分別標(biāo)記為DC-1到DC-5。首先獲取樣芯高光譜圖像，然后選擇感興趣區(qū)域制備薄片，并用SEM-MLA進(jìn)行分析。從巖心樣本的左側(cè)開始，每個(gè)區(qū)域被進(jìn)一步標(biāo)記為a、b和c，如圖2.1所示。

圖2.1：樣芯高光譜成像與SEM-MLA獲得的高分辨率礦物圖 (a、b和c) 疊加圖

以樣品DC-1為例，該樣品由閃長(zhǎng)斑巖組成，其熱液蝕變呈鉀化過(guò)渡，以黑云母、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石-綠泥石組合為特征的鈉鈣巖為代表。在前兩個(gè)薄片“a”和“b”中，綠泥石比黑云母豐富。然而，在第三個(gè)薄片中，由于巖脈密度較低和隱含的相關(guān)蝕變，在基質(zhì)中出現(xiàn)了大量浸染以及成團(tuán)的黑云母。斜長(zhǎng)石在所有的三個(gè)薄片中占主導(dǎo)地位，但在巖脈附近，可明顯觀察到鉀長(zhǎng)石的增加。

通過(guò)對(duì)樣芯的目視分析和結(jié)果分析，RF和FF-ANN模型對(duì)于評(píng)估局部分布、低濃度的礦物豐度效果較好。在基質(zhì)礦物學(xué)方面，SVM模型對(duì)黑云母的評(píng)估較RF和FF-ANN好，而對(duì)基質(zhì)中其他主要成分如長(zhǎng)石的評(píng)估較差。對(duì)于脈石礦物成分如石膏和硫化物，該模型也具有相似的效果。

圖2.2：使用隨機(jī)分布的50%的地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)白云母（WM）、黑云母（Bt）、綠泥石（Chl）、角閃石（Amp）、石膏（Gp）、長(zhǎng)石（Fsp）、石英（Qz）、硫化物（SP）和副礦物（Other），進(jìn)行隨機(jī)森林(RF)、支持向量機(jī)(SVM)和前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FF-ANN)回歸訓(xùn)練后得到的樣芯礦物豐度圖。
 

通過(guò)計(jì)算RMSE，得到礦物豐度圖定量評(píng)價(jià)的觀察結(jié)果如下：

以上三種測(cè)試算法都給出了較低的RMSE，最小的是RF為0.07，其次是FF-ANN為0.08，SVM為0.1。對(duì)于每類RMSE，RF和FF-ANN的結(jié)果相似，與石英相關(guān)的誤差較大，這可能是由于石英在VNIR-SWIR區(qū)域光譜反射平穩(wěn)，缺乏顯著吸收特征造成的。整體RMSE結(jié)果則證明基于以上方法的高光譜成像結(jié)合SEM-MLA技術(shù)，可用于礦物分布及豐度圖繪制。

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