王 東，劉善軍，毛亞純，李恒宇，祁玉馨

東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

引 言

光譜分析技術(shù)是20世紀(jì)80年代新興的一種定量分析技術(shù)，其與傳統(tǒng)方法相比具有快速、無損、便攜等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛應(yīng)用于巖礦分析與礦物加工等領(lǐng)域[1-3]。國內(nèi)外學(xué)者對多種礦物與巖石的光譜特性及產(chǎn)生原因進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，礦物與巖石的光譜特性與內(nèi)在理化特性緊密相關(guān)，試樣光譜的差異主要是成分與含量不同引起的，依據(jù)譜帶特征能夠?qū)崿F(xiàn)對礦物、巖石的分類識(shí)別與定量反演[4-6]。Feng等通過應(yīng)用X射線光電子能譜分析技術(shù)進(jìn)行菱鋅礦實(shí)驗(yàn)樣品的化學(xué)組成及其成分含量的確定，取得了較理想的結(jié)果[7-8]。鞍山式鐵礦，國際上稱之為條帶狀鐵建造(banded iron formations，BIF)，在全球廣泛分布，占世界鐵礦資源總儲(chǔ)量的60%，鞍山式鐵礦也是我國最重要的鐵礦類型，占全國鐵礦資源總儲(chǔ)量55.2%，居于全國首位[9]。因此，國內(nèi)外學(xué)者對鞍山式鐵礦的反射光譜與其成分及含量之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究。Timothy發(fā)現(xiàn)試樣反射光譜最小值的位置與其針鐵礦的含量符合非常顯著的拋物線關(guān)系，隨著試樣中針鐵礦含量的增高，反射光譜最小值位置逐漸向長波方向移動(dòng)[10]。Geraldo基于鐵礦反射光譜建立了試樣礦物成分的多元回歸模型，對試樣中的多種礦物成分進(jìn)行了定量反演，取得了較理想的結(jié)果[11]。Mao等通過對鐵礦和圍巖的反射光譜進(jìn)行對比分析，建立了礦石和圍巖的分類識(shí)別模型，然后基于Landsat 8數(shù)據(jù)進(jìn)行了礦體提取，模型精度達(dá)到了85%[12]。胥燕輝等通過對磁鐵石英巖的巖芯進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)鐵礦石中鐵含量與850～900 nm的反射率均值呈現(xiàn)顯著指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，并基于此建立了鐵含量反演模型，模型誤差為5.5%[13]。前期研究通過對鞍山式鐵礦的反射光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鐵礦石中的磁性率與其反射光譜相關(guān)性顯著，基于試樣反射光譜建立了磁性率的定量反演模型，模型誤差為3.8%，結(jié)果較理想[14]。

上述研究表明鞍山式鐵礦反射光譜與其成分及含量關(guān)系密切，依據(jù)試樣反射光譜可以對試樣成分及其含量進(jìn)行有效的定量反演。鞍山式鐵礦的礦石類型主要為赤鐵礦和磁鐵礦，此二種礦石在實(shí)際中既可以混合賦存，又可以單獨(dú)賦存，但是前述研究均認(rèn)為二者是混合賦存狀態(tài)，未對二者單獨(dú)賦存狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)研究與分析建模，影響了定量反演模型的精度。本文針對粉末狀赤鐵礦、磁鐵礦單獨(dú)賦存情況，利用實(shí)驗(yàn)方法分析鐵礦品位對試樣反射光譜特征的影響規(guī)律，分別建立赤鐵礦、磁鐵礦的鐵品位定量反演模型，為礦山鐵品位測試提供了新方法，從而為實(shí)現(xiàn)礦山精準(zhǔn)開采奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

遼寧省鞍山-本溪地區(qū)是我國最主要的鞍山式鐵礦床富集區(qū)，該地區(qū)鐵礦儲(chǔ)量約占全國鐵礦資源總儲(chǔ)量的20%，居全國首位，且易于開采，具有極大的工業(yè)價(jià)值。本文以遼寧省鞍鋼集團(tuán)下屬的鞍千礦作為實(shí)驗(yàn)區(qū)展開研究，于實(shí)驗(yàn)區(qū)露天采場的不同地點(diǎn)采集塊狀赤鐵礦、磁鐵礦等典型實(shí)驗(yàn)樣品若干。對塊狀實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行破碎、研磨、過篩等加工處理，以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)需要。

鞍山式鐵礦的鐵礦石種類主要為赤鐵礦和磁鐵礦，其中赤鐵礦多為貧鐵礦，鐵品位多低于35%，其余成分為石英，雜質(zhì)成分含量極少； 而磁鐵礦鐵品位含量較高，磁鐵礦的鐵品位最高達(dá)到了60%，其余成分為石英，雜質(zhì)成分含量極少。因此，本研究以赤鐵礦、磁鐵礦的實(shí)際賦存鐵品位為依據(jù)，進(jìn)行不同鐵品位的實(shí)驗(yàn)樣品設(shè)計(jì)。如表1所示，赤鐵礦按照鐵品位設(shè)計(jì)了30%，25%，20%，15%和10%五個(gè)等級的鐵品位，磁鐵礦按照鐵品位設(shè)計(jì)了60%，50%，40%，30%和20%五個(gè)等級的鐵品位。

表1 試樣鐵品位設(shè)計(jì)表Table 1 The grade of samples

按照上述設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)樣品的制備，為保證顆粒度、粗糙度、表面形態(tài)等變異因素的一致性，首先對顆粒狀赤鐵礦、磁鐵礦與石英進(jìn)行過篩處理，然后統(tǒng)一選擇過200目篩的赤鐵礦、磁鐵礦與石英進(jìn)行試樣的配置。采用HLD-6002(精度=0.01 g)電子天平對試樣稱重，然后將赤鐵礦和石英按照一定質(zhì)量比例進(jìn)行配比并混合均勻，制備出鐵品位為10%，15%，20%，25%和30%，5個(gè)品位等級的赤鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品； 將磁鐵礦和石英按照一定質(zhì)量比例進(jìn)行配比并混合均勻，制備出鐵品位為20%，30%，40%，50%和60%，5個(gè)品位等級的磁鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品。然后將制備好的粉末狀實(shí)驗(yàn)樣品放進(jìn)圓形的黑色樣品盒中保存，如圖1所示。圖1中第一排為赤鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品，由左至右，赤鐵礦鐵品位逐漸增加，分別為10%，15%，20%，25%和30%，由圖可知，隨著鐵品位的增加，赤鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品顏色逐漸由淺色變成櫻紅色。第二排為磁鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品，由左至右，磁鐵礦鐵品位逐漸增加，分別為20%，30%，40%，50%和60%，隨著鐵品位增加，磁鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品顏色逐漸加深，由淺色變成黑色。

圖1 不同鐵品位的實(shí)驗(yàn)樣品Fig.1 Samples of different grades

1.2 光譜測試

采用SVC HR-1024便攜式地物光譜儀對制備好的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行可見光-近紅外光譜測試。為減弱外界環(huán)境的影響，本實(shí)驗(yàn)選擇在室內(nèi)條件下，以鹵素?zé)糇鳛槲ㄒ还庠催M(jìn)行光譜測試。測試前以標(biāo)準(zhǔn)白板為背景進(jìn)行定標(biāo)，測試過程中，每10 min進(jìn)行一次白板定標(biāo)，獲取實(shí)驗(yàn)樣品絕對反射率。為了減弱樣品表面形態(tài)的影響，每個(gè)試樣測三次光譜曲線，剔除有明顯偏差的曲線，以樣品光譜曲線的平均值作為試樣的反射率，通過上述步驟可以最大程度減弱其他因素的干擾，獲取可靠的光譜曲線。

2 品位對試樣反射光譜的影響分析

2.1 品位對赤鐵礦反射光譜的影響分析

由于赤鐵礦和磁鐵礦試樣的反射光譜具有顯著差異，而且鐵品位對二種鐵礦石反射光譜的影響規(guī)律也不盡一致，因此對二種鐵礦石試樣的反射光譜分別進(jìn)行分析研究。首先分析赤鐵礦試樣的反射光譜，圖2為不同鐵品位赤鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品的反射光譜曲線，由圖可知，實(shí)驗(yàn)樣品反射率光譜曲線隨鐵品位不同呈規(guī)律性變化：

(1)在350～1 000 nm波段，隨著鐵品位的升高，試樣光譜的反射率依次降低，而且光譜形態(tài)也發(fā)生了一定的改變。當(dāng)赤鐵礦試樣鐵品位為10%時(shí)，試樣在該波段的反射光譜曲線比較平緩，鐵離子的光譜特征幾乎沒有體現(xiàn)，隨著試樣鐵品位的升高，鐵離子的光譜特征越來越顯著。由于Fe3+吸收波長較短的能量，其反射光譜曲線在藍(lán)紫波段較低，在紅光波段較高，因此赤鐵礦反射光譜于750 nm形成一個(gè)顯著的波峰； 而且Fe3+的電子從6A1g躍遷到4T1g，在880 nm形成一個(gè)較強(qiáng)的吸收譜帶，呈現(xiàn)顯著的波谷特征。隨著試樣鐵品位的升高，赤鐵礦反射光譜在750 nm的波峰特征和880 nm的波谷特征越來越顯著。

(2)在1 000～1 250 nm波段，試樣鐵品位的變化主要影響該波段反射光譜的斜率，試樣鐵品位為10%時(shí)，光譜曲線比較平緩，斜率較小，隨著鐵品位的升高，斜率逐漸增大。

(3)在1 250～1 900 nm波段，隨著赤鐵礦鐵品位的升高，試樣光譜的反射率亦依次降低，但降低幅度相對350～1 000 nm波段較小，不同鐵品位的光譜差別不明顯，而且鐵離子在該波段無明顯光譜特征，光譜曲線近似一條直線，表明此波段受鐵品位影響較小。

(4)在1 900～2 500 nm波段，可能是受到外界環(huán)境干擾，該波段光譜曲線多交叉重疊，無較明顯的變化規(guī)律。

由上述分析可知，赤鐵礦鐵品位的變化對試樣反射光譜有較顯著的影響，但是在不同的波段處影響規(guī)律不盡一致。在350～1 000 nm波段，赤鐵礦鐵品位對反射光譜有顯著影響，試樣反射率大小對鐵品位反應(yīng)敏感，即隨著試樣鐵品位的增高，試樣光譜反射率逐漸降低； 在1 000～1 250 nm波段，反射光譜的斜率對鐵品位比較敏感，即隨著試樣鐵品位的增高，反射光譜的斜率逐漸增高，光譜趨勢發(fā)生明顯變化； 而在1 250～1 900 nm波段，試樣反射光譜受鐵品位影響較微弱。

圖2 不同品位赤鐵礦試樣反射光譜曲線Fig.2 The reflectance spectrums of hematitesamples with different grades

為深入了解鐵品位對赤鐵礦反射光譜的影響，進(jìn)行了試樣鐵品位與其反射光譜之間的定量分析。

(1)線性相關(guān)性分析

從圖2看出，隨著試樣鐵品位的升高，光譜的反射率總體上逐漸降低，利用線性相關(guān)性分析光譜反射率與鐵品位之間的定量關(guān)系，用“線性相關(guān)系數(shù)”和“單位品位反射率變幅”兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行刻畫。圖3為試樣光譜反射率與赤鐵礦鐵品位的線性相關(guān)性分析結(jié)果。由圖可知，試樣在350～1 900 nm波段光譜反射率與試樣鐵品位相關(guān)性較好，線性相關(guān)系數(shù)在-0.95～-0.99之間，相關(guān)性非常顯著； 1 900～2 500 nm波段，線性相關(guān)系數(shù)波動(dòng)較大，相對于350～1 900 nm波段線性相關(guān)性較差。為了更好地評價(jià)品位對試樣光譜的影響，定義了“單位品位反射率變幅”指標(biāo)。圖4為不同鐵品位赤鐵礦在350～2 500 nm波段單位品位反射率變幅分析結(jié)果，由圖可知，在350～1 000 nm波段單位品位反射率變幅較大，試樣光譜受鐵品位影響較顯著； 1 000～1 250 nm波段單位品位反射率變幅呈現(xiàn)快速下降的趨勢，在1 250 nm后下降速度明顯減緩，1 250 nm是拐點(diǎn)； 1 250～2 500 nm波段試樣單位品位反射率變幅很小，表明該波段反射光譜受品位影響微弱。

圖3 赤鐵礦光譜反射率與品位的線性相關(guān)性分析圖Fig.3 The linear correlation analysis of reflectivityand the grades of hematite

圖4 不同品位赤鐵礦試樣在350～2 500 nm波段的單位品位反射率變幅

綜合分析上述兩個(gè)指標(biāo)，最終確定兩個(gè)指標(biāo)均顯著的波段交集為350～1 000 nm，以此做為赤鐵礦試樣反射光譜對鐵品位的敏感波段。在該波段，試樣光譜反射率與鐵品位呈現(xiàn)顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，二者線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.99、單位品位反射率變幅達(dá)到1.4以上，赤鐵礦反射光譜受鐵品位影響顯著。

(2)斜率定量分析

從圖2看出，在1 000～1 250 nm波段，隨著試樣鐵品位的升高，該波段斜率逐漸增大，因此對1 000～1 250 nm波段反射光譜斜率與鐵品位之間的關(guān)系進(jìn)行分析。圖5為赤鐵礦試樣在1 000～1 250 nm波段反射光譜的斜率與鐵品位的線性擬合圖，由圖可知，當(dāng)試樣鐵品位由10%增加到30%時(shí)，試樣反射光譜的斜率由0.10 μm-1增加到了0.96 μm-1，斜率增加了0.86 μm-1，該波段反射光譜的斜率與鐵品位呈現(xiàn)顯著線性正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.99。

圖5 1 000～1 250 nm波段反射光譜的斜率 與赤鐵礦品位線性擬合圖Fig.5 The linear fitting map of the slope in 1 000～1 250 nmand hematite grade

2.2 品位對磁鐵礦反射光譜的影響分析

圖6為不同品位磁鐵礦試樣的反射光譜曲線，從圖6看出：

(1)不同品位磁鐵礦，其反射光譜曲線的形態(tài)和趨勢無明顯變化，均近似一條直線，無明顯光譜特征，表明試樣鐵品位不會(huì)影響光譜的趨勢和形態(tài)，且其對試樣350～2 500 nm波段反射光譜的影響整體一致，無較顯著的敏感波段。

(2)隨著磁鐵礦鐵品位的升高，試樣反射光譜曲線急劇下降，表明試樣鐵品位對試樣反射光譜的高低具有較大影響。

圖6 不同品位的磁鐵礦樣品反射光譜曲線Fig.6 The reflectance spectrums of magnetitesamples with different grades

為深入了解鐵品位對磁鐵礦光譜的影響，進(jìn)行了磁鐵礦鐵品位與反射率間的定量分析。由于磁鐵礦鐵品位對350～2 500 nm波段反射光譜的影響基本一致，因此本文選取350～2 500 nm波段的反射率均值與鐵品位進(jìn)行擬合分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，350～2 500 nm波段反射率均值與鐵品位呈現(xiàn)顯著指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，其殘差平方和為0.43%，擬合優(yōu)度為0.99，當(dāng)磁鐵礦鐵品位由20%增至60%，試樣鐵品位增加1%時(shí)，試樣反射率降低0.75%。

圖7 350～2 500 nm反射率均值與磁鐵礦品位擬合圖

3 模型建立與檢驗(yàn)

3.1 模型建立

由前述分析可知，鐵品位對赤鐵礦和磁鐵礦反射光譜的影響規(guī)律不盡一致，因此需要對赤鐵礦、磁鐵礦分開進(jìn)行分析與建模。

(1)赤鐵礦鐵品位定量反演模型

由2.1節(jié)分析表明，赤鐵礦試樣在350～1 000 nm波段光譜反射率與鐵品位呈顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系； 同時(shí)，在1 000～1 250 nm波段光譜曲線斜率與鐵品位呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。因此，可以應(yīng)用上述關(guān)系建立赤鐵礦鐵品位的定量反演模型。目前，國產(chǎn)高分1、2衛(wèi)星數(shù)據(jù)是眾學(xué)者常用的遙感數(shù)據(jù)，其中450～900 nm是全色波段，可選用該波段建立鐵品位定量反演模型，結(jié)果如式(1)

y1=-0.63x1+41.6

(1)

式(1)中：x1為試樣450～900 nm反射率均值，%，y1為試樣鐵品位，%。

同樣，利用1 000～1 250 nm波段光譜曲線斜率與鐵品位之間的線性關(guān)系，建立赤鐵礦鐵品位定量反演模型，如式(2)

y2=23.6x2+7.2

(2)

式(2)中：x2為試樣1 000～1 250 nm波段光譜曲線斜率，μm-1；y2為試樣鐵品位，%。

(2)磁鐵礦鐵品位定量反演模型

由2.2節(jié)分析可知，磁鐵礦鐵品位對試樣350～2 500 nm波段反射光譜的影響基本一致，且磁鐵礦鐵品位與350～2 500 nm波段反射率均值呈現(xiàn)顯著的指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，基于此建立磁鐵礦鐵品位定量反演模型，如式(3)

b=72.4e-0.04a

(3)

式(3)中：a為試樣350～2 500 nm波段反射率均值，%；b為試樣鐵品位，%。

3.2 模型檢驗(yàn)

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，按照1.1節(jié)所述的步驟和方法，制備了鐵品位分別為12.5%，17.5%，22.5%和27.5%的赤鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品和鐵品位分別為25%，35%，45%和55%的磁鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品。對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行可見光-近紅外光譜測試，基于實(shí)驗(yàn)樣品反射光譜曲線應(yīng)用式(1)和式(2)對赤鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品的鐵品位進(jìn)行定量反演，并與鐵品位實(shí)測值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表2所示； 基于實(shí)驗(yàn)樣品反射光譜曲線應(yīng)用式(3)對磁鐵礦實(shí)驗(yàn)樣品的鐵品位進(jìn)行定量反演，并與鐵品位實(shí)測值進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3所示。由表2和表3可知，應(yīng)用式(1)反演的赤鐵礦鐵品位與實(shí)測的鐵品位誤差為0.7%，應(yīng)用式(2)反演的赤鐵礦鐵品位與實(shí)測鐵品位誤差為0.58%，應(yīng)用式(3)反演的磁鐵礦鐵品位與實(shí)測鐵品位誤差為0.87%，所有模型的預(yù)測誤差均小于1%。

胥燕輝建立的磁鐵石英巖型鐵礦巖芯品位預(yù)測模型的誤差為5.5%，汪云建立的磁性鐵回歸分析預(yù)測模型的誤差為2%，而本文所建立的鐵品位定量反演模型誤差小于1%，模型精度有一定提高，結(jié)果較理想，該模型對鞍山式鐵礦鐵品位的確定具有重要的指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

表2 赤鐵礦反演鐵品位與實(shí)測鐵品位對比表Table 2 The comparison of inversed gradeand measured grade of hematite

表3 磁鐵礦反演鐵品位與實(shí)測鐵品位對比表Table 3 The comparison of inversed grade andmeasured grade of magnetite

4 結(jié) 論

通過對不同鐵品位赤鐵礦、磁鐵礦進(jìn)行可見-近紅外光譜測試，分析了鐵品位對試樣反射光譜的影響規(guī)律，并基于此建立了鐵品位的定量反演模型，具體結(jié)論如下：

(1)鐵品位對赤鐵礦和磁鐵礦的反射光譜有顯著影響，但是對二者的影響規(guī)律不盡一致。赤鐵礦鐵品位的變化不僅會(huì)影響試樣反射光譜的強(qiáng)弱，還會(huì)影響試樣反射光譜的形態(tài)； 磁鐵礦鐵品位的變化不會(huì)影響試樣反射光譜的形態(tài)，僅會(huì)對試樣反射光譜的強(qiáng)弱產(chǎn)生影響，且在整個(gè)波段影響關(guān)系基本一致。

(2)赤鐵礦在350～1 000 nm波段反射率大小與鐵品位呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，在1 000～1 250 nm波段反射光譜斜率與鐵品位呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，基于此建立了赤鐵礦鐵品位定量反演模型； 磁鐵礦在350～2 500 nm波段反射率均值與鐵品位呈現(xiàn)顯著指數(shù)函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，基于此建立了磁鐵礦鐵品位定量反演模型。驗(yàn)證結(jié)果表明，上述所建模型的預(yù)測誤差均小于1%，為礦山鐵品位測試提供了新方法。

致謝：感謝遼寧省鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司為本研究提供實(shí)驗(yàn)樣品及對本研究的支持與合作。