顆粒度對高品位赤鐵礦可見光—近紅外光譜的影響研究

劉海琪 劉善軍 丁瑞波

(東北大學資源與土木工程學院,遼寧 沈陽 110819)

鐵礦資源是鋼鐵工業快速發展的物質基礎,是衡量國家經濟水平的重要標志。在鐵礦資源開采過程中,成分快速測定與礦體邊界精準圈定對開采效率有著重要影響。目前主要通過現場采樣、室內化驗分析等傳統方法確定鐵礦品位,耗時長、效率低。相較而言,高光譜遙感技術具有快速、無損、便捷等優點,已被廣泛應用在巖礦組分定量反演、蝕變信息提取、巖石礦物分類中[1-2]。然而,決定巖礦光譜特征的關鍵因素除了自身礦物組分、晶體結構、化學成分等之外,顆粒度同樣對礦物光譜的反射率產生顯著影響[3-4],忽視顆粒度的影響會導致在應用光譜進行巖礦分類或反演巖礦組分時出現較大誤差[5-6]。閆柏琨等[7]、王潤生[8]在進行巖礦光譜分析時發現,隨著顆粒度變化,巖礦光譜的變化規律較為復雜,不僅不同礦物的反射光譜隨著粒度變化規律存在差異,而且即使是同一種礦物光譜在不同波段區間上的變化也不同。因此在利用巖礦光譜進行巖礦分類識別時,顆粒度對反射光譜的影響不容忽略。一些學者在對赤鐵礦光譜特征的研究中,發現顆粒度對光譜特征有重要影響,如王延霞等[9]對0.01～0.08mm的赤鐵礦進行光譜觀測,發現在990～2 560 nm波段范圍內,赤鐵礦的光譜反射率隨著顆粒度的增大而降低;在400～990 nm波段范圍內,光譜反射曲線隨著顆粒度變化無明顯規律。楊柏林等[10]研究了塊狀和0.076～0.3 mm顆粒度赤鐵礦的光譜曲線,發現赤鐵礦光譜在400～550 nm波段塊狀樣品反射率高,粒度小的樣品反射率低;在780～2 500 nm波段,反射光譜與樣品的顆粒度呈現相反的規律。

上述研究表明,顆粒度對于赤鐵礦反射光譜有重要影響,但不同研究者所得的結論存在差異。同時,課題組雖在前期開展了顆粒度對赤鐵礦光譜特征影響的研究[11],但所選擇的樣品為品位較低(鐵品位為30%)的赤鐵礦樣品,其光譜特征受樣品中石英光譜特征的影響較大。為此,本研究選擇了高品位的巴西赤鐵礦樣品,進一步對不同顆粒度赤鐵礦光譜進行研究,并將顆粒狀樣品與塊狀樣品的光譜特征進行對比。

1 試驗部分

1.1 樣品設計與制備

巴西赤鐵礦鐵品位高,大多分布在55%～67.5%范圍內,在我國的鋼鐵企業加工中發揮了重要作用[12]。本研究以品位58%的巴西赤鐵礦為研究對象,經粉碎、研磨、烘干后,利用不同規格的篩網得到11件顆粒等級的赤鐵礦樣品,顆粒度等級為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以下顆粒度的樣品制備困難,所以該顆粒度以下的樣品不再區分。制備的樣品見圖1。從圖中可以看出,隨著粒徑減小,赤鐵礦樣品的顏色由鋼灰色逐漸變為磚紅色。

圖1 不同顆粒度的赤鐵礦樣品Fig.1 Hematite samples with different particle sizes

1.2 光譜測試

本研究采用SVC HR-1024便攜式地物光譜儀對不同顆粒度赤鐵礦樣品的可見光—近紅外光譜進行測試。光譜儀的波長范圍為350～2 500 nm,共包括1 024個通道,其中,350～1 000 nm波段的光譜分辨率≤3.2 nm,1 000～1 850 nm波段的光譜分辨率≤8.5 nm,1 850～2 500 nm波段的光譜分辨率≤6.5 nm。

為確保試驗過程中試驗環境的穩定性,避免風、云等外界天氣因素干擾,試驗選擇在黑暗的室內條件下進行,并通過鹵素燈模擬自然太陽光對樣品進行照射。試驗前先對標準白板的輻射亮度進行測試,以獲取標準參考光譜;試驗過程中將樣品放在直徑為5 cm的黑色樣品盒中,光照方向與水平方向夾角為45°,光譜儀鏡頭垂直于樣品上方40 cm,鹵素燈與樣品中心距離為65 cm。同時,為減弱隨機誤差和樣品表面形態的影響,每件樣品在試驗前進行搖勻處理,表面近似平整。光譜測試時,每件樣品旋轉3次,獲取3條光譜曲線,取其平均值作為樣品的最終反射光譜。室內光譜測量如圖2所示。

圖2 光譜測量試驗示意Fig.2 Schematic of spectral measurement experiment

2 試驗結果與機理分析

2.1 不同顆粒度的赤鐵礦反射光譜

塊狀和11件不同顆粒度赤鐵礦樣品的光譜測試結果如圖3所示。由圖3可知:雖然不同顆粒度的赤鐵礦光譜形態存在差異,但由于化學成分相同,光譜呈現的吸收特征等基本形態相似,即在530 nm和850 nm存在較為明顯的光譜吸收帶,這是由于Fe3+的電子躍遷所致[13]。并且,由于OH-與Fe3+的結合,樣品光譜在2 200 nm處體現微弱的振動特征[14]。但不同顆粒度等級下的赤鐵礦光譜曲線高低不同,顆粒度主要影響了赤鐵礦的光譜反射率,且主要體現在近紅外波段(尤其在1 200 nm后)。

圖3 不同顆粒度赤鐵礦光譜曲線Fig.3 Spectral curves of hematite with different particle sizes

通過對不同顆粒度赤鐵礦光譜反射率的變化特征進行詳細分析,可以得出:

(1)在0.07～3.00 mm顆粒度范圍內,光譜曲線相互交叉,隨著顆粒度的變化無明顯的規律性特征。

(2)在0.04～0.07 mm顆粒度范圍內,顆粒度對光譜的影響可以劃分為3段:350～560 nm波段,赤鐵礦反射率隨顆粒度增大而增大,但變化不大,最大變化幅度不超過2%;1 000～2 500 nm波段,赤鐵礦反射率隨顆粒度增大而減小,出現與350～560 nm波段范圍相反的規律,但反射率受顆粒度的影響最大變化幅度不超過7%;560～1 000 nm波段,光譜曲線彼此交叉,未呈現出光譜隨顆粒度的明顯變化規律(圖4)。

圖4 顆粒度＜0.07 mm赤鐵礦光譜曲線Fig.4 Spectral curves of hematite with particle size＜0.07mm

(3)當顆粒度＜0.04 mm時,光譜曲線發生突然性變化,尤其在近紅外波段表現明顯,主要體現出3個方面的特征:①在可見光波段,350～620 nm波段內光譜變化相對較小,但進入620 nm后,光譜反射率發生突然性升高,呈現明顯的紅邊效應,在750 nm處的反射峰明顯,較前一顆粒度的反射率升高約5%,說明此時樣品對紅光反射多,顏色呈現明顯的磚紅色;②在850～1 200 nm波段光譜曲線發生突然性升高,斜率增加明顯,反射率升高近15%,該特征也是赤鐵礦在顆粒度＜0.04 mm時出現的最大變化特征;③在1 200～2 500 nm波段,該顆粒度的光譜曲線變化平穩,與0.040～0.045 mm顆粒度樣品的光譜曲線相比,反射率差值始終保持在15%左右,變化不大。

(4)塊狀樣品在圖3中較為特殊,以波長1 000 nm為分界,在1 000 nm之前塊狀樣品的反射率高于顆粒狀樣品,而在1 000 nm之后,情況有所不同,反射率介于＜0.04 mm和其他顆粒度樣品光譜曲線之間。從光譜曲線來看,在可見光波段(380～760 nm),雖然反射率較高(在15%左右),但反射率變化不大,即各個波段的反射率近似相等,使得光線呈現灰色,所以,赤鐵礦在塊狀時經常呈現鋼灰色。

上述研究表明:顆粒度對赤鐵礦的反射光譜影響較大,尤其當顆粒度＜0.04 mm時,光譜曲線會發生突然性變化,光譜起伏變化明顯增大,據此利用細顆粒度光譜識別赤鐵礦的效果應優于塊狀或者粗顆粒樣品。同時,當顆粒度小于0.04 mm時,光譜曲線發生突然性升高,在可見光波段主要體現在紅光波段750 nm處的反射峰明顯,這也解釋了赤鐵礦在大顆粒或塊狀時呈現黑色或鋼灰色,而在粉末狀時呈現磚紅色的原因(圖1)。地質學上經常利用這一物理性質來識別赤鐵礦和磁鐵礦,即赤鐵礦利用它的條痕色與磁鐵礦進行區分,此時顯示的是它的自色。

文獻[11]對低品位(全鐵品位30%)不同顆粒度的赤鐵礦光譜進行了觀測,其結果與本研究試驗結果有所不同。首先,低品位赤鐵礦的光譜反射率為10%～60%,而本研究高品位赤鐵礦的光譜反射率為8%～30%,二者反射率高低有明顯不同;其次,當顆粒度由3 mm減小至＜0.03 mm時,低品位赤鐵礦的光譜反射率逐級緩慢地升高,不存在使反射率發生突升的顆粒度臨界值,而高品位赤鐵礦的光譜反射率在顆粒度＜0.04 mm時發生突升。造成上述差異的原因主要是由于低品位赤鐵礦中含有較多的石英,石英的光譜特征在樣品反射光譜中占據了重要的特征。

2.2 機理分析

由2.1節試驗結果可知,決定赤鐵礦光譜特征的關鍵因素除了其自身礦物組分、晶體結構、化學成分等之外,顆粒度同樣對光譜特征產生顯著影響,不同顆粒度的赤鐵礦反射光譜不同,本研究就該現象的產生機理進行討論。

(1)前述試驗結果顯示,0.07～3.00 mm顆粒度范圍的赤鐵礦樣品的光譜反射率隨著粒徑變化規律不顯著。究其原因,主要由于樣品顆粒較大時,光從一側照射到顆粒表面,而另一側因背光而產生陰影,造成這一側的反射光進入傳感器的光量減少,致使反射率減小。同時由于顆粒堆積的隨機性,造成了陰影遮擋的隨機性,也由此導致0.07～3.00 mm顆粒度樣品的光譜反射率隨著顆粒度變化無明顯規律。

(2)在0.04～0.07 mm顆粒度范圍內,隨著顆粒減小,表面起伏減小,陰影效應減弱,此時,光學效應主要體現在顆粒對于光傳播的影響。光源照射到樣品表面產生的光學現象近似于幾何光學[15],光在介質中傳播時,介質對光的吸收遵循朗伯-比爾定律[16-17]:

式中,I為傳感器觀測到的光照強度;I0為初始入射光照強度;k為介質的吸收系數,與樣品折射率以及波長有關;x為光在介質中傳播的光學路徑。光學路徑與顆粒度成正相關關系,顆粒度越大,光照進入赤鐵礦顆粒內的光學路徑越長,光在傳播過程中的損耗越大,導致光譜反射率越低。因此,該粒徑范圍內礦物顆粒的光譜反射率隨粒徑減小而升高。

(3)試驗結果顯示,當顆粒度＜0.04 mm時,赤鐵礦樣品的光譜反射率突升,反射光譜顯著高于其他光譜曲線。圖5為＜0.04 mm顆粒度赤鐵礦樣品的粒度分析直方圖。由該圖分析可知:在＜0.04 mm顆粒度的赤鐵礦樣品中,0.01 mm以下的顆粒占到44.33%。在該粒度下,樣品粒徑與近紅外波長處于同一數量級,此時,光線在介質中的傳播將不再完全符合幾何光學現象,而以散射作用為主,即照射到松散體的光線向四面八方發生散射作用[18],經散射后的光線從各個方向進入傳感器內,光照強度顯著增大,最終導致顆粒度＜0.04 mm的赤鐵礦樣品的反射率大幅增加,尤其在近紅外波段,散射效應更加明顯。

圖5 ＜0.04 mm顆粒度樣品的粒度分析直方圖Fig.5 Histogram of particle size analysis for＜0.04mm samples

(4)塊狀樣品以波長1000 nm為分界,在1 000 nm之前反射率高于顆粒狀樣品,而在1 000 nm之后,反射率低于顆粒度＜0.04 mm的樣品。塊狀樣品表面較為平整,起伏較小,當光源照射至礦石表面后,不存在陰影干擾,造成塊狀樣品在350～1 000 nm波段的反射率高于顆粒狀樣品,而在1 000 nm之后的近紅外波段,＜0.04 mm顆粒度樣品的散射效應增強,其反射率高于塊狀樣品。

3 結 論

本研究通過開展不同顆粒度赤鐵礦的可見光—近紅外光譜測試,針對顆粒度對赤鐵礦反射光譜的影響進行了分析,得出以下結論:

(1)不同顆粒度下赤鐵礦光譜曲線形態基本一致,顆粒度主要對光譜反射率影響顯著。

(2)當顆粒度為0.07～3.00 mm時,赤鐵礦反射光譜隨著顆粒度變化規律不明顯。

(3)當顆粒度為0.04～0.07 mm時,在350～560 nm波段范圍內,顆粒度與光譜反射率成正相關;在1 000～2 500 nm波段范圍內,顆粒度與光譜反射率呈負相關。

(4)當顆粒度＜0.04 mm時,在大于620 nm的波段范圍內,其光譜反射率發生突增,光譜曲線顯著高于其他顆粒度光譜曲線,且在紅色波段反射峰明顯。