地質(zhì)勘測(cè)研究先進(jìn)技術(shù)及其應(yīng)用概述

一、CoreScanner樣芯元素分析與CT技術(shù)

        CoreScanner芯體元素分布與密度掃描分析系統(tǒng)由瑞典ITRAX公司研制生產(chǎn)，集成了X-光掃瞄成像技術(shù)（CT）、XRF元素分析技術(shù)及光學(xué)掃描成像技術(shù)等，可以對(duì)海洋湖沼等沉積樣芯、地球地質(zhì)樣芯等的X-光數(shù)碼成像樣芯密度分布分析和元素濃度分布分析，用于海洋勘測(cè)研究、地球地質(zhì)勘測(cè)研究、地質(zhì)資源勘測(cè)研究、地質(zhì)年輪及環(huán)境氣候年輪分析等領(lǐng)域，高解析度、非接觸和非損傷性掃描分析，可以對(duì)大量樣芯及形成幾百萬年的剖面樣芯進(jìn)行快速分析，是目前世界最先進(jìn)的海洋湖泊沉積樣芯及地球地質(zhì)樣芯分析系統(tǒng)。其主要功能特點(diǎn)為：

• 結(jié)合了XRF技術(shù)、X-光密度掃描技術(shù)（CT）及高分辨率彩色掃描成像技術(shù)等國(guó)際先進(jìn)技術(shù)
• 樣芯數(shù)字化技術(shù)，樣芯數(shù)字化彩色掃描圖像、數(shù)字化密度分布圖像（CT）、數(shù)字化元素濃度分布圖像及磁化率等形成數(shù)字化樣芯，全面反映樣芯理化特性乃至形成歷史等、環(huán)境變遷史、地質(zhì)史等
• XRF元素分析技術(shù)（Al-U）直接給出元素實(shí)際濃度及樣芯剖面濃度分布，高精確度、高靈敏度（ppm級(jí)）、高穩(wěn)定性
• 檢測(cè)分析效率高，10分鐘即可完成100cm樣芯的分析，樣芯裝載后全自動(dòng)運(yùn)行
• 非接觸式掃描分析，不破壞樣芯
• 可超負(fù)荷工作，每年可工作幾千小時(shí)
•  

 

 

        英國(guó)海洋沉積樣芯研究機(jī)構(gòu)（采集保存了全球各地海洋領(lǐng)域的深海沉積樣芯（截至2009年已采集了1400個(gè)不同海洋區(qū)域的沉積樣芯），最深達(dá)1249米，用于海洋勘測(cè)調(diào)查、油氣資源調(diào)查、海洋資源評(píng)估、環(huán)境污染研究、海底纜線等建設(shè)及海洋戰(zhàn)略性研究，并與歐盟、北美、日本等合作和信息分享。由澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)、日本、英國(guó)、美國(guó)等合作實(shí)施的“海洋鉆探項(xiàng)目”(Ocean Drilling Program，ODP)于2003年結(jié)束后，又有美國(guó)挑頭組成“IODP（Integrated Ocean Drilling Program）項(xiàng)目”繼續(xù)開展該項(xiàng)工作。Itrax CoreScanner為上述項(xiàng)目提供了強(qiáng)大關(guān)鍵的、快速高解析度的研究分析平臺(tái)，甚至已發(fā)現(xiàn)從本世紀(jì)一直到三疊紀(jì)2.27萬年以前的深海樣芯。德國(guó)地質(zhì)科學(xué)研究中心（German Research Center for Geosciences）利用Itrax CoreScanner對(duì)350米長(zhǎng)的深海沉積樣芯進(jìn)行了每秒1mm解析度的掃描分析。

Itrax CoreScanner主要技術(shù)指標(biāo)：

• XRF、X-光數(shù)碼掃描成像、光學(xué)成像及磁化率（備選）掃描技術(shù)
• XRF技術(shù)可分析包括從Al到U的絕大多數(shù)元素沿芯體的含量分布，多種元素同時(shí)檢測(cè)，對(duì)于絕大部分金屬元素精度可達(dá)ppm級(jí)；常見的元素濃度分布分析包括Al、Si、S、Cl、K、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Br、Rb、Sr、Zr、Ba和Pb等
• 系統(tǒng)軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，不僅可以分析展示不同元素濃度的分布，還可給出不同元素比率的分布，如Ca/Fe、Si/Ti、Si/Sr、Ca/Sr、Fe/Rb、Cu/Rb、Zr/Rb、Mn/Ti、Ba/Ti、Br/Ti、Br/Cl、Inc/coh等，這些比率分布具有重要的科學(xué)意義，如Br/Cl意味著富含有機(jī)質(zhì)的沉積層等
• X-光數(shù)碼掃描成像技術(shù)，用于芯體層級(jí)層積顯微分析和結(jié)構(gòu)顯微分析，分辨率可達(dá)20微米
• 掃描數(shù)碼RGB線陣鏡頭用于樣品表面光學(xué)成像，以便選取進(jìn)一步掃描分析的樣芯范圍，并與X-光密度成像和元素含量進(jìn)行比較分析
• 樣芯（或樣芯板片）步進(jìn)掃描，步進(jìn)級(jí)可以從100微米到厘米級(jí)，最大樣芯長(zhǎng)度為1.8m
• 計(jì)算機(jī)軟件控制，可以無人看守自動(dòng)掃描分析，可一次掃描分析幾個(gè)樣芯（總長(zhǎng)度不超過1.8m）
• 1米長(zhǎng)的樣芯按1cm步進(jìn)掃描分析僅需5分鐘；按200微米的步進(jìn)級(jí)掃描分析約需3個(gè)小時(shí)
• 具激光剖面三角測(cè)量系統(tǒng)，用于測(cè)量芯體表面形狀以控制XRF元素分析儀相對(duì)于樣芯表面的位置（保障檢測(cè)儀與樣芯表面保持同樣的距離），因而系統(tǒng)不僅可檢測(cè)表面平滑的樣芯，也可檢測(cè)表面粗糙的樣品

 

 

二、XRF Scanner樣芯元素掃描分析技術(shù)

        XRF Scanner樣芯元素掃描分析系統(tǒng)是由瑞典ITRAX公司在CoreScanner的基礎(chǔ)上研制生產(chǎn)，主要用于巖礦樣芯及沉積樣芯元素快速精確高靈敏度掃描分析，分SC單樣芯掃描分析系統(tǒng)（每次裝載一個(gè)樣芯）和MC多樣芯（每次可裝載多個(gè)樣芯進(jìn)行分析）掃描分析系統(tǒng)兩個(gè)版本。其主要技術(shù)特點(diǎn)為

• 可對(duì)樣芯一次性掃描分析從Na到U的所有元素及REE（稀土元素）濃度及分布
• Polyflat™X-光聚集技術(shù)，非接觸性元素掃描分析，Micro X-光束對(duì)每個(gè)點(diǎn)精確掃描分析并可進(jìn)行平均，如沿樣芯每厘米的平均濃度或整個(gè)樣芯的平均濃度
• 高通量樣芯元素掃描分析，1m長(zhǎng)樣芯多元素同步分析只需100秒，單位時(shí)間提供最高質(zhì)量的元素分析數(shù)據(jù)
• 一次即可持續(xù)掃描完畢，無需停頓
• 可以給出高濃度常量元素到痕量元素的濃度及分布（每個(gè)掃描分析點(diǎn)及平均濃度）
• 可分析元素相位分布及相關(guān)關(guān)系
• 具RGB高分辨率彩色鏡頭及LED光源，具樣品條碼掃描器
• 高精確度、高穩(wěn)定性、高靈敏度

 

 

 

        通常情況下，頁(yè)巖具有豐富的地質(zhì)化學(xué)組成和痕量金屬元素，可以反映其沉積環(huán)境、起源、成巖作用等。ITRAX實(shí)驗(yàn)室應(yīng)客戶需求利用XRF Scanner,以每點(diǎn)（point）每秒1cm的步進(jìn)速度，對(duì)波羅的海Oland島的頁(yè)巖進(jìn)行了掃描分析，分析記錄了2400個(gè)點(diǎn)的元素?cái)?shù)據(jù)（每個(gè)點(diǎn)代表頁(yè)巖樣芯剖面1cm的測(cè)量數(shù)據(jù)），發(fā)現(xiàn)有30多種元素，包括一些主要元素如Al、Si、K、Ca、Ti、Fe，微量元素如P、Cl、S、Mn、Rb、Sr，及痕量元素V、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Br、Y、Zr、Mo、Nb、Ba、Pb、Th、U。結(jié)果表明，頁(yè)巖樣芯富含典型的粘土元素如Al、K、Ti和Rb，同時(shí)TOC（有機(jī)碳）代理元素如V、Ni、Mo及U也很典型。這意味著成巖作用在水底部缺氧、富含硫化物。

        另一個(gè)案例為來自澳大利亞塔斯馬尼亞州的富于稀土元素的巖礦樣芯，XRF Scanner不僅給出了樣芯各種元素的濃度，還可以顯示樣芯剖面各種元素的濃度分布，而且通過元素濃度相關(guān)分析，可以識(shí)別鑒定礦相（Mineral phases），如本樣芯Y（釔）與所有其它記錄到的稀土元素（如Nb、Ce、Pr、Nd、Dy）存在高度相關(guān)關(guān)系，這意味著XRF譜線中所有稀土元素都屬同一礦相。

 

 

 

主要技術(shù)指標(biāo)：

• XRF：135eV分辨率，非接觸性掃描
• X-光管：50瓦銠陽(yáng)極X-光管，預(yù)期壽命50000小時(shí)
• 掃描步進(jìn)：標(biāo)準(zhǔn)1mm-10mm，可客戶定制0.1mm步進(jìn)（更高空間分辨率）
• MC版最多可一次性裝載分析8個(gè)樣芯
• 樣芯長(zhǎng)度：標(biāo)準(zhǔn)1m、直徑12cm，可根據(jù)客戶需求延長(zhǎng)樣芯長(zhǎng)度或直徑（至15cm）
• 可選配紫外光用于UV熒光成像
• 大小規(guī)格：
  • MC版：190L x 120W x 165H，重量500Kg
  • SC版：190L x 700W x 165H，重量420Kg

 

三、SciTrace LIBS元素分析系統(tǒng)

        SciTrace LIBS元素分析系統(tǒng)由歐洲工程技術(shù)中心（CEITEC）研制生產(chǎn)，用于巖礦、材料、塑料、土壤及植物等的元素分析和元素分布2D成像，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)科學(xué)、材料科學(xué)、土壤科學(xué)、生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域樣品分析。系統(tǒng)由脈沖激光、光譜儀、檢測(cè)器、樣品激光作用室（interaction chamber）、控制系統(tǒng)、光機(jī)結(jié)構(gòu)等組成，采用模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的需求應(yīng)用靈活組合，具備強(qiáng)大的擴(kuò)展性能。

 

 

主要技術(shù)特點(diǎn)；

• 模塊式結(jié)構(gòu)組成，配置高度靈活、系統(tǒng)高度可擴(kuò)展，擴(kuò)展升級(jí)不必要返廠，在實(shí)驗(yàn)室即可就地升級(jí)擴(kuò)展，甚至客戶自己就可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行擴(kuò)展升級(jí)
• 高端LIBS系統(tǒng)，可適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)（土壤污染、微�；虺练e分析、突發(fā)事件檢測(cè)等）、巖礦分析、塑料等各種材料分析、土壤分析、植物分析、痕跡溯源追蹤分析、法醫(yī)與生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)（牙齒、骨骼、毛發(fā)等）、考古學(xué)檢測(cè)等各種應(yīng)用
• 高端全光譜Echelle光譜儀及iCCD光譜檢測(cè)器，高穩(wěn)定性、高精確度、高靈敏度，每次可檢測(cè)分析所有波段光譜；如特別需要，可選配Czerny Turner光譜儀及相應(yīng)iCCD光譜檢測(cè)器以進(jìn)一步達(dá)到更低的檢測(cè)極限（參見下表，檢測(cè)極限很大程度上與樣品本身有關(guān)，如植物中的C、N一般很難達(dá)到表中的檢測(cè)極限），但這類超高靈敏度檢測(cè)系統(tǒng)每次能檢測(cè)的波段數(shù)量有限——這意味著每次可分析的元素種類有限
• 單脈沖或雙脈沖激光技術(shù)
• 可分析元素周期表中所有元素，檢測(cè)極限可達(dá)0.1ppm甚至更低（參見上表）；可同時(shí)選配Echelle全光譜檢測(cè)系統(tǒng)和超高靈敏度Czerny Turner檢測(cè)系統(tǒng)（安裝在同一分析室組成雙檢測(cè)系統(tǒng)）
• 高端LIBS樣品激光作用室（LIBS interaction chamber），激光“密封”在室內(nèi)作用于樣品，具備激光過濾器觀察口，確保分析過程的安全；三維樣品自動(dòng)操作、自動(dòng)聚焦，可產(chǎn)生不同角度不同側(cè)面格式的2D圖像（2D mapping）；集成有激光聚焦、等離子體輻射采集、CMOS鏡頭、激光濾波器等光學(xué)元件；具備各種可擴(kuò)展端口以便升級(jí)擴(kuò)展各種配件及雙脈沖LIBS、LIBS＋LIFS、拉曼光譜、IR光譜、光致發(fā)光（photoluminescence）等；可模擬不同的大氣條件等；還可選配其它經(jīng)濟(jì)型分析室（參見下表）

 

 

 

• 移動(dòng)式系統(tǒng)平臺(tái)，方便操作、移動(dòng)等
• CEITEC專家團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持，隨時(shí)提供最佳最優(yōu)的LIBS方案，并愿意合作進(jìn)行應(yīng)用研究和發(fā)表論文

 

四、X-Trace LIBS遙測(cè)分析系統(tǒng)

        X-Trace LIBS元素遙測(cè)分析系統(tǒng)由歐洲工程技術(shù)中心（CEITEC）研制生產(chǎn)，用于巖礦、材料、塑料、土壤及植物等的元素分析和元素分布2D成像，可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)科學(xué)、材料科學(xué)、土壤科學(xué)、生物科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域樣品分析。系統(tǒng)主要由移動(dòng)平臺(tái)（Transport module）、遙測(cè)模塊（Stand-off detection module）和手持光纖探頭（Fiber optic module with hand probe）等組成，移動(dòng)平臺(tái)集成有光譜儀、檢測(cè)器、控制系統(tǒng)、光機(jī)結(jié)構(gòu)等，遙測(cè)模塊內(nèi)置脈沖激光發(fā)射器和聚焦系統(tǒng)及等離子體光譜采集系統(tǒng)等。整機(jī)采用模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的需求應(yīng)用靈活組合，具備強(qiáng)大的擴(kuò)展性能。

 

 

主要技術(shù)特點(diǎn)；

• Stand-off LIBS 與Remote LIBS專利技術(shù)，原位非接觸測(cè)量分析，遙測(cè)距離可達(dá)20m
• 模塊式結(jié)構(gòu)組成，配置高度靈活、系統(tǒng)高度可擴(kuò)展，擴(kuò)展升級(jí)不必要返廠，在實(shí)驗(yàn)室即可就地升級(jí)擴(kuò)展
• 移動(dòng)平臺(tái)方便操作、移動(dòng)等
• 高端LIBS系統(tǒng)，可適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)（土壤污染、微�；虺练e分析、突發(fā)事件檢測(cè)等）、巖礦分析、塑料等各種材料分析、土壤分析、植物分析、痕跡溯源追蹤分析、法醫(yī)與生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)（牙齒、骨骼、毛發(fā)等）、考古學(xué)檢測(cè)等各種應(yīng)用
• 遙測(cè)模塊可遠(yuǎn)距離（可達(dá)20m）原位非接觸激光脈沖聚焦沖蝕遙測(cè)，或手持光纖探頭原位激光脈沖聚焦沖蝕測(cè)量
• 高端全光譜Echelle光譜儀及iCCD光譜檢測(cè)器，高穩(wěn)定性、高精確度、高靈敏度，每次可檢測(cè)分析所有波段光譜；如特別需要，可選配Czerny Turner光譜儀及相應(yīng)iCCD光譜檢測(cè)器以進(jìn)一步達(dá)到更低的檢測(cè)極限（參見下表，檢測(cè)極限很大程度上與樣品本身有關(guān)，如植物中的C、N一般很難達(dá)到表中的檢測(cè)極限），但這類超高靈敏度檢測(cè)系統(tǒng)每次能檢測(cè)的波段數(shù)量有限——這意味著每次可分析的元素種類有限
• 可分析元素周期表中所有元素，檢測(cè)極限可達(dá)0.1ppm甚至更低；可選配Echelle全光譜檢測(cè)系統(tǒng)或超高靈敏度Czerny Turner檢測(cè)系統(tǒng)
• CEITEC專家團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持，隨時(shí)提供最佳最優(yōu)的LIBS方案，并愿意合作進(jìn)行應(yīng)用研究和發(fā)表論文。

 

五、易科泰SPECIM高光譜成像技術(shù)

        Specim高光譜掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)科學(xué)及礦產(chǎn)資源勘測(cè)，成為地質(zhì)礦產(chǎn)高光譜成像分析的領(lǐng)導(dǎo)者。在此主要介紹廣被采用的完整系統(tǒng)SisuSCS、SisuROCK和SisuCHEMA。易科泰生態(tài)技術(shù)公司可以根據(jù)需求制定不同的選配方案。

 

 

 

 

 

1、SisuSCS高光譜單樣芯掃描平臺(tái)（Situ Single Core Scanner）

        SituSCS適于對(duì)單個(gè)巖礦樣芯或湖泊沉積樣芯進(jìn)行高光譜掃描成像分析，可選配400-1000nmVNIR傳感器或1000-2500SWIR傳感器，整機(jī)重量約重100kg，適合于樣芯量不大的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高光譜分析。

 

 

 

 

        SisuSCS高光譜樣芯掃描分析可以快速、無損傷、非接觸、高分辨率獲取巖石樣芯或沉積樣芯的光譜反射特征，可以提供其它樣芯分析技術(shù)所不能提供的物質(zhì)組成與時(shí)空分布大數(shù)據(jù)信息。

2、SisuRock高光譜樣芯掃描平臺(tái)

        SituRock應(yīng)用于高速大量巖礦樣芯、土壤樣芯等的高光譜掃描分析，每天可自動(dòng)完成幾百米長(zhǎng)度的巖礦樣芯掃描成像分析，可選配970-2500nm SWIR傳感器、400-1000nm VNIR或8-12um熱成像傳感器，整機(jī)重量約500kg，樣芯最大可150cm(L) x 65cm(W) x 20cm(H)，重量可達(dá)50kg。

 

 

 

A single core image scanned by SisuROCK in the SWIR range (970 to 2500 nm), at 0.2 mm pixel resolution. Scanning speed 20 mm/second

 

Ore–Waste Discrimination in Epithermal Deposits Using Near-Infrared to Short-Wavelength Infrared (NIR-SWIR) Hyperspectral Imagery, Math Geosci. 2018

 

3、SisuChema高光譜化學(xué)成像分析平臺(tái)

        SituChema適用于小型如巖礦、晶體、土壤顆粒等樣品的掃描分析，可選配400-1000nm VNIR或900-1700nm NIR或1000-2500nm SWIR傳感器，最大樣品大小為200x300x45mm，可對(duì)10mm甚至更小的樣品進(jìn)行解析度為30微米的掃描成像分析

 

 

 

Consistency of Measurements of Wavelength Position From Hyperspectral Imagery: Use of the Ferric Iron Crystal Field Absorption at 900 nm as an Indicator of Mineralogy. Transactions on Geoscience and remote sensing, 2014

 

六、UAV遙測(cè)技術(shù)——GeoDrone UAV（無人機(jī)）遙測(cè)平臺(tái)

        無人機(jī)（UAV）作為遙測(cè)平臺(tái)，最先在軍事領(lǐng)域得到重用，用于信息采集、偵測(cè)等。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，及遙測(cè)傳感器如CCD彩色成像技術(shù)、多光譜成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)等的發(fā)展，無人機(jī)遙測(cè)技術(shù)在地球地質(zhì)科學(xué)、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、自然資源管理等的應(yīng)用已成為繼衛(wèi)星遙測(cè)技術(shù)后的重要平臺(tái)。GeoDrone UAV遙測(cè)平臺(tái)由易科泰生態(tài)技術(shù)公司自主研發(fā)集成的UAV地面信息遙測(cè)平臺(tái)，采用國(guó)際先進(jìn)的光譜成像傳感器技術(shù)，應(yīng)用于地球地質(zhì)勘測(cè)包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境調(diào)查監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)病蟲害及脅迫（如干旱脅迫、熱脅迫等）監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警、地理信息系統(tǒng)、野生動(dòng)物及其棲息地調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)估、林業(yè)病蟲害及森林火災(zāi)調(diào)查監(jiān)測(cè)預(yù)警、濕地資源調(diào)查評(píng)估、自然保護(hù)區(qū)管理等。

技術(shù)特點(diǎn)：

• 國(guó)際領(lǐng)先專業(yè)無人機(jī)平臺(tái)，垂直起降，長(zhǎng)續(xù)航、高負(fù)載能力，萬向（Gimbal）傳感器平臺(tái)，遙控或自動(dòng)航點(diǎn)導(dǎo)航，無線數(shù)據(jù)傳輸，地面站在線監(jiān)測(cè)
• 高分辨率彩色成像，明察秋毫，還可進(jìn)行3D效果圖構(gòu)建（三維地形圖）
•  

 

 

• 多光譜成像，蘭、綠、紅、紅邊、近紅外5波段光譜成像，可分析植被NDVI等光譜反射指數(shù)
• 紅外熱成像（選配），640x480分辨率（或其它分辨率），可用于植物干旱脅迫研究、森林火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、野生動(dòng)物調(diào)查研究等
• 可客戶定制UAV高光譜成像平臺(tái)

 

 

張掖丹霞地貌