颗粒度对高品位赤铁矿可见光—近红外光谱的影响研究

刘海琪 刘善军 丁瑞波

(东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819)

铁矿资源是钢铁工业快速发展的物质基础,是衡量国家经济水平的重要标志。在铁矿资源开采过程中,成分快速测定与矿体边界精准圈定对开采效率有着重要影响。目前主要通过现场采样、室内化验分析等传统方法确定铁矿品位,耗时长、效率低。相较而言,高光谱遥感技术具有快速、无损、便捷等优点,已被广泛应用在岩矿组分定量反演、蚀变信息提取、岩石矿物分类中[1-2]。然而,决定岩矿光谱特征的关键因素除了自身矿物组分、晶体结构、化学成分等之外,颗粒度同样对矿物光谱的反射率产生显著影响[3-4],忽视颗粒度的影响会导致在应用光谱进行岩矿分类或反演岩矿组分时出现较大误差[5-6]。闫柏琨等[7]、王润生[8]在进行岩矿光谱分析时发现,随着颗粒度变化,岩矿光谱的变化规律较为复杂,不仅不同矿物的反射光谱随着粒度变化规律存在差异,而且即使是同一种矿物光谱在不同波段区间上的变化也不同。因此在利用岩矿光谱进行岩矿分类识别时,颗粒度对反射光谱的影响不容忽略。一些学者在对赤铁矿光谱特征的研究中,发现颗粒度对光谱特征有重要影响,如王延霞等[9]对0.01～0.08mm的赤铁矿进行光谱观测,发现在990～2 560 nm波段范围内,赤铁矿的光谱反射率随着颗粒度的增大而降低;在400～990 nm波段范围内,光谱反射曲线随着颗粒度变化无明显规律。杨柏林等[10]研究了块状和0.076～0.3 mm颗粒度赤铁矿的光谱曲线,发现赤铁矿光谱在400～550 nm波段块状样品反射率高,粒度小的样品反射率低;在780～2 500 nm波段,反射光谱与样品的颗粒度呈现相反的规律。

上述研究表明,颗粒度对于赤铁矿反射光谱有重要影响,但不同研究者所得的结论存在差异。同时,课题组虽在前期开展了颗粒度对赤铁矿光谱特征影响的研究[11],但所选择的样品为品位较低(铁品位为30%)的赤铁矿样品,其光谱特征受样品中石英光谱特征的影响较大。为此,本研究选择了高品位的巴西赤铁矿样品,进一步对不同颗粒度赤铁矿光谱进行研究,并将颗粒状样品与块状样品的光谱特征进行对比。

1 试验部分

1.1 样品设计与制备

巴西赤铁矿铁品位高,大多分布在55%～67.5%范围内,在我国的钢铁企业加工中发挥了重要作用[12]。本研究以品位58%的巴西赤铁矿为研究对象,经粉碎、研磨、烘干后,利用不同规格的筛网得到11件颗粒等级的赤铁矿样品,颗粒度等级为2～3 mm、1～2 mm、0.6～1.0 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm、0.07～0.15 mm、0.055～0.07 mm、0.050～0.055 mm、0.045～0.050 mm、0.040～0.045 mm、＜0.04 mm。由于0.04 mm以下颗粒度的样品制备困难,所以该颗粒度以下的样品不再区分。制备的样品见图1。从图中可以看出,随着粒径减小,赤铁矿样品的颜色由钢灰色逐渐变为砖红色。

图1 不同颗粒度的赤铁矿样品Fig.1 Hematite samples with different particle sizes

1.2 光谱测试

本研究采用SVC HR-1024便携式地物光谱仪对不同颗粒度赤铁矿样品的可见光—近红外光谱进行测试。光谱仪的波长范围为350～2 500 nm,共包括1 024个通道,其中,350～1 000 nm波段的光谱分辨率≤3.2 nm,1 000～1 850 nm波段的光谱分辨率≤8.5 nm,1 850～2 500 nm波段的光谱分辨率≤6.5 nm。

为确保试验过程中试验环境的稳定性,避免风、云等外界天气因素干扰,试验选择在黑暗的室内条件下进行,并通过卤素灯模拟自然太阳光对样品进行照射。试验前先对标准白板的辐射亮度进行测试,以获取标准参考光谱;试验过程中将样品放在直径为5 cm的黑色样品盒中,光照方向与水平方向夹角为45°,光谱仪镜头垂直于样品上方40 cm,卤素灯与样品中心距离为65 cm。同时,为减弱随机误差和样品表面形态的影响,每件样品在试验前进行摇匀处理,表面近似平整。光谱测试时,每件样品旋转3次,获取3条光谱曲线,取其平均值作为样品的最终反射光谱。室内光谱测量如图2所示。

图2 光谱测量试验示意Fig.2 Schematic of spectral measurement experiment

2 试验结果与机理分析

2.1 不同颗粒度的赤铁矿反射光谱

块状和11件不同颗粒度赤铁矿样品的光谱测试结果如图3所示。由图3可知:虽然不同颗粒度的赤铁矿光谱形态存在差异,但由于化学成分相同,光谱呈现的吸收特征等基本形态相似,即在530 nm和850 nm存在较为明显的光谱吸收带,这是由于Fe3+的电子跃迁所致[13]。并且,由于OH-与Fe3+的结合,样品光谱在2 200 nm处体现微弱的振动特征[14]。但不同颗粒度等级下的赤铁矿光谱曲线高低不同,颗粒度主要影响了赤铁矿的光谱反射率,且主要体现在近红外波段(尤其在1 200 nm后)。

图3 不同颗粒度赤铁矿光谱曲线Fig.3 Spectral curves of hematite with different particle sizes

通过对不同颗粒度赤铁矿光谱反射率的变化特征进行详细分析,可以得出:

(1)在0.07～3.00 mm颗粒度范围内,光谱曲线相互交叉,随着颗粒度的变化无明显的规律性特征。

(2)在0.04～0.07 mm颗粒度范围内,颗粒度对光谱的影响可以划分为3段:350～560 nm波段,赤铁矿反射率随颗粒度增大而增大,但变化不大,最大变化幅度不超过2%;1 000～2 500 nm波段,赤铁矿反射率随颗粒度增大而减小,出现与350～560 nm波段范围相反的规律,但反射率受颗粒度的影响最大变化幅度不超过7%;560～1 000 nm波段,光谱曲线彼此交叉,未呈现出光谱随颗粒度的明显变化规律(图4)。

图4 颗粒度＜0.07 mm赤铁矿光谱曲线Fig.4 Spectral curves of hematite with particle size＜0.07mm

(3)当颗粒度＜0.04 mm时,光谱曲线发生突然性变化,尤其在近红外波段表现明显,主要体现出3个方面的特征:①在可见光波段,350～620 nm波段内光谱变化相对较小,但进入620 nm后,光谱反射率发生突然性升高,呈现明显的红边效应,在750 nm处的反射峰明显,较前一颗粒度的反射率升高约5%,说明此时样品对红光反射多,颜色呈现明显的砖红色;②在850～1 200 nm波段光谱曲线发生突然性升高,斜率增加明显,反射率升高近15%,该特征也是赤铁矿在颗粒度＜0.04 mm时出现的最大变化特征;③在1 200～2 500 nm波段,该颗粒度的光谱曲线变化平稳,与0.040～0.045 mm颗粒度样品的光谱曲线相比,反射率差值始终保持在15%左右,变化不大。

(4)块状样品在图3中较为特殊,以波长1 000 nm为分界,在1 000 nm之前块状样品的反射率高于颗粒状样品,而在1 000 nm之后,情况有所不同,反射率介于＜0.04 mm和其他颗粒度样品光谱曲线之间。从光谱曲线来看,在可见光波段(380～760 nm),虽然反射率较高(在15%左右),但反射率变化不大,即各个波段的反射率近似相等,使得光线呈现灰色,所以,赤铁矿在块状时经常呈现钢灰色。

上述研究表明:颗粒度对赤铁矿的反射光谱影响较大,尤其当颗粒度＜0.04 mm时,光谱曲线会发生突然性变化,光谱起伏变化明显增大,据此利用细颗粒度光谱识别赤铁矿的效果应优于块状或者粗颗粒样品。同时,当颗粒度小于0.04 mm时,光谱曲线发生突然性升高,在可见光波段主要体现在红光波段750 nm处的反射峰明显,这也解释了赤铁矿在大颗粒或块状时呈现黑色或钢灰色,而在粉末状时呈现砖红色的原因(图1)。地质学上经常利用这一物理性质来识别赤铁矿和磁铁矿,即赤铁矿利用它的条痕色与磁铁矿进行区分,此时显示的是它的自色。

文献[11]对低品位(全铁品位30%)不同颗粒度的赤铁矿光谱进行了观测,其结果与本研究试验结果有所不同。首先,低品位赤铁矿的光谱反射率为10%～60%,而本研究高品位赤铁矿的光谱反射率为8%～30%,二者反射率高低有明显不同;其次,当颗粒度由3 mm减小至＜0.03 mm时,低品位赤铁矿的光谱反射率逐级缓慢地升高,不存在使反射率发生突升的颗粒度临界值,而高品位赤铁矿的光谱反射率在颗粒度＜0.04 mm时发生突升。造成上述差异的原因主要是由于低品位赤铁矿中含有较多的石英,石英的光谱特征在样品反射光谱中占据了重要的特征。

2.2 机理分析

由2.1节试验结果可知,决定赤铁矿光谱特征的关键因素除了其自身矿物组分、晶体结构、化学成分等之外,颗粒度同样对光谱特征产生显著影响,不同颗粒度的赤铁矿反射光谱不同,本研究就该现象的产生机理进行讨论。

(1)前述试验结果显示,0.07～3.00 mm颗粒度范围的赤铁矿样品的光谱反射率随着粒径变化规律不显著。究其原因,主要由于样品颗粒较大时,光从一侧照射到颗粒表面,而另一侧因背光而产生阴影,造成这一侧的反射光进入传感器的光量减少,致使反射率减小。同时由于颗粒堆积的随机性,造成了阴影遮挡的随机性,也由此导致0.07～3.00 mm颗粒度样品的光谱反射率随着颗粒度变化无明显规律。

(2)在0.04～0.07 mm颗粒度范围内,随着颗粒减小,表面起伏减小,阴影效应减弱,此时,光学效应主要体现在颗粒对于光传播的影响。光源照射到样品表面产生的光学现象近似于几何光学[15],光在介质中传播时,介质对光的吸收遵循朗伯-比尔定律[16-17]:

式中,I为传感器观测到的光照强度;I0为初始入射光照强度;k为介质的吸收系数,与样品折射率以及波长有关;x为光在介质中传播的光学路径。光学路径与颗粒度成正相关关系,颗粒度越大,光照进入赤铁矿颗粒内的光学路径越长,光在传播过程中的损耗越大,导致光谱反射率越低。因此,该粒径范围内矿物颗粒的光谱反射率随粒径减小而升高。

(3)试验结果显示,当颗粒度＜0.04 mm时,赤铁矿样品的光谱反射率突升,反射光谱显著高于其他光谱曲线。图5为＜0.04 mm颗粒度赤铁矿样品的粒度分析直方图。由该图分析可知:在＜0.04 mm颗粒度的赤铁矿样品中,0.01 mm以下的颗粒占到44.33%。在该粒度下,样品粒径与近红外波长处于同一数量级,此时,光线在介质中的传播将不再完全符合几何光学现象,而以散射作用为主,即照射到松散体的光线向四面八方发生散射作用[18],经散射后的光线从各个方向进入传感器内,光照强度显著增大,最终导致颗粒度＜0.04 mm的赤铁矿样品的反射率大幅增加,尤其在近红外波段,散射效应更加明显。

图5 ＜0.04 mm颗粒度样品的粒度分析直方图Fig.5 Histogram of particle size analysis for＜0.04mm samples

(4)块状样品以波长1000 nm为分界,在1 000 nm之前反射率高于颗粒状样品,而在1 000 nm之后,反射率低于颗粒度＜0.04 mm的样品。块状样品表面较为平整,起伏较小,当光源照射至矿石表面后,不存在阴影干扰,造成块状样品在350～1 000 nm波段的反射率高于颗粒状样品,而在1 000 nm之后的近红外波段,＜0.04 mm颗粒度样品的散射效应增强,其反射率高于块状样品。

3 结 论

本研究通过开展不同颗粒度赤铁矿的可见光—近红外光谱测试,针对颗粒度对赤铁矿反射光谱的影响进行了分析,得出以下结论:

(1)不同颗粒度下赤铁矿光谱曲线形态基本一致,颗粒度主要对光谱反射率影响显著。

(2)当颗粒度为0.07～3.00 mm时,赤铁矿反射光谱随着颗粒度变化规律不明显。

(3)当颗粒度为0.04～0.07 mm时,在350～560 nm波段范围内,颗粒度与光谱反射率成正相关;在1 000～2 500 nm波段范围内,颗粒度与光谱反射率呈负相关。

(4)当颗粒度＜0.04 mm时,在大于620 nm的波段范围内,其光谱反射率发生突增,光谱曲线显著高于其他颗粒度光谱曲线,且在红色波段反射峰明显。