绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带的位移机理与控制机制研究

论文摘要

近红外光（Near Infrared,NIR）是一种典型的电磁波,其波长范围在780至2500纳米之间,这也是人类发现最早的一种电磁波。随着相关商品化检测设备的出现,以及前人的努力,如今近红外光谱技术（Near Infrared Spectroscopy,NIRS）已经得到广泛应用,更是成为相当高效的现代分析技术。尤其是在高光谱遥感领域,近红外成像光谱技术已经成为地学信息系统领域观测、采集地面各类信息尤其是陆表矿物空间分布的有效手段。因此,对蚀变矿物的NIRS所蕴含的结构与化学成分信息展开研究,系统分析分子键振动行为变化引起的近红外光谱特征谱带表征变异特征,初步探索一套利用近红外特征谱带来辨识蚀变矿物细分亚类的方法,对于深入挖掘近红外光谱和高光谱图像数据的深层次信息、促进地质矿产遥感地质应用具有重要的理论意义和实用价值。本文结合笔者承担的地调科研项目,以采集自西北各地包括新疆西昆仑地区、青海东昆仑纳赤台地区、甘肃北山地区、陕西秦岭地区的不同岩性中赋存的绿泥石矿物为研究对象,针对其矿物中的金属阳离子类质同象置换现象,结合红外光谱谱带特征系统研究了其近红外谱带的归属,提出了类质同象置换现象导致的金属阳离子成分变化下,绿泥石矿物晶体结构的变化模型和对近红外谱带的控制机理。本文主要取得了如下结论与创新成果:1.绿泥石矿物近红外谱带的归属研究:红外拉曼光谱的谱带位置与分子的基频振动频率相同,而近红外光谱的谱带则是基频振动的倍频和组合频。本文通过采集不同成因岩性的绿泥石样品（即Fe、Mg、Al含量各异的绿泥石样品）的拉曼光谱特征峰,并与近红外光谱进行相关谱带分析,推导出绿泥石矿物的近红外谱带主要是由矿物中的羟基（OH）基频振动的组合频产生。其中,4438 cm-1附近的近红外谱带归属于3570 cm-1附近的（AlAl）O-OH伸缩振动和870 cm-1附近的（AlAl）O-OH弯曲振动的组合频吸收峰;4263 cm-1附近的近红外谱带归属于3442 cm-1附近的（SiAl）O-OH伸缩振动以及760 cm-1附近的（SiAl）O-OH弯曲振动的组合频吸收峰。绿泥石矿物中羟基键（O-H）力常数均值6.87。2.绿泥石矿物内部各类质同象元素含量及相关性研究表明:绿泥石矿物中存在较为普遍的Mg-Fe置换,其次硅氧四面体中的AlIV离子与Si也表现出置换关系,AlVI离子不与四面体中的Si进行置换,因此Al2O3-SiO2离子之间的负相关关系较差。加之,Si含量介于2.7—3.1之间,区间长度0.4,AlIV含量介于0.9—1.4之间,区间长度0.5,Fe2+含量介于1.5—3.7之间,区间长度2.2,Mg2+含量介于0.7—3.2之间,区间长度2.5,Si-AlIV置换的范围远小于Fe-Mg置换的范围;同时,AlVI离子参与八面体中对Mg2+的置换,但是与Mg2+的置换关系很弱。换句话说,本研究所采集的绿泥石样品Si-Al含量比较稳定,而Fe-Mg含量变化比较显著。硅氧四面体中AlIV离子与Si离子的置换主要影响Si-O键的振动频率,而对O-H键的振动主要影响其谱带的数目;二八面体中普遍存在的Fe-Mg离子置换是影响O-H键振动频率的主要因素。3.绿泥石矿物内部类质同象置换对结晶参数的影响:绿泥石矿物中Fe2+含量与面网间距d002值的相关性进行散点分析结果显示绿泥石中铁的含量与面网间距d002值呈明显的负相关关系（r2=0.4）,即富铁绿泥石的面网间距值较低。而AlIV的含量与面网间距d002值呈较差的正相关关系（r2=0.17）,说明变化数量较少的AlIV-Si置换对本研究所采集的绿泥石样品的晶体结构影响较小,可作为无影响对待。4.绿泥石矿物类质同象元素含量变化和晶体结构变化对吸收谱带位移的控制作用机制研究:得出Fe-Mg类质同象置换影响下的矿物晶体结构变化量对两处近红外特征谱带的控制机制,随着Fe含量的增多即Fe2+/(Fe2++Mg2+)值的增大,由于Fe2+阳离子的半径（0.061 nm）小于Mg2+离子的半径（0.072 nm）,导致八面体层的厚度减小。羟基键的振动频率随Fe含量增多逐渐减小,从而导致均值在4438 cm-1（2253 nm）附近的近红外谱带从4450.85 cm-1（2246.76 nm）逐渐位移到4420.69 cm-1（2262.09 nm）,均值在4263 cm-1（2345 nm）附近的谱带从4298.22 cm-1（2326.54 nm）逐渐位移到4195.43cm-1（2383.54 nm）。5.本文选取了青海省东昆仑纳赤台—西大滩地区的ASTER遥感影像数据,以绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带位移规律为理论,在富镁、富铁绿泥石图像光谱选择的基础上,进行了富镁、富铁绿泥石种类的提取。经过4个地面点的实地验证工作,发现提取结果与地面调查情况基本吻合,该理论具有一定的实际应用价值。

论文目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 选题依据与研究意义

1.3 国内外近红外光谱的矿物研究概况

1.3.1 矿物光谱吸收过程

1.3.2 常见热液矿物的光谱特征

1.3.3 国内外蚀变矿物近红外光谱研究进展

1.3.4 国内外近红外光谱处理技术的发展

1.4 绿泥石矿物近红外谱带的研究进展

1.4.1 绿泥石矿物的晶体结构特征

1.4.2 绿泥石化学成分对拉曼、红外谱带和晶体结构的影响

1.4.3 绿泥石矿物的近红外光谱谱带特征

1.5 本文的研究内容

第二章研究思路与实验方法

2.1 设计思路

2.2 样品采集与加工

2.2.1 样品概况

2.2.2 样品的处理

2.3 近红外光谱数据采集与处理方法

2.3.1 近红外光谱数据采集

2.3.2 近红外光谱数据预处理

2.3.3 绿泥石矿物近红外光谱的特征吸收谱带分析

2.4 拉曼光谱数据的采集与处理方法

2.4.1 拉曼光谱数据的采集

2.4.2 拉曼光谱数据的预处理

2.4.3 绿泥石矿物拉曼光谱数据的特征谱带分析

2.5 电子探针数据的采集与处理方法

2.5.1 电子探针数据的采集

2.5.2 利用电子探针数据计算绿泥石晶体化学式

2.6 X射线衍射数据的采集与处理

2.6.1 X射线衍射数据的采集

2.6.2 X射线衍射数据的处理

2.7 实验数据分布分析

2.8 小结

第三章绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带归属

3.1 确定近红外光谱特征谱带归属的方法

3.2 绿泥石矿物红外拉曼光谱基频谱带的位置与归属

3.2.1 绿泥石矿物红外拉曼光谱基频谱带的位置

3.2.2 绿泥石矿物红外拉曼光谱基频谱带的归属

3.3 绿泥石矿物近红外光谱特征谱带的归属

3.3.1 主要层状硅酸盐矿物近红外光谱特征谱带的归属

3.3.2 绿泥石矿物近红外光谱特征谱带的归属

3.4 小结

第四章绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带位移机理研究

4.1 层状硅酸盐矿物内部金属离子类质同象置换对基频谱带和近红外谱带的影响

4.1.1 层状硅酸盐矿物金属离子类质同象置换对基频谱带的影响

4.1.2 金属离子类质同象置换对近红外谱带的影响

4.2 绿泥石矿物内部金属离子类质同象置换

4.3 绿泥石矿物内部金属阳离子类质同象置换对近红外谱带位置的影响

4.4 绿泥石矿物近红外吸收谱带位移的机理

4.4.1 绿泥石矿物近红外吸收谱带的位移原理

4.4.2 羟基（OH）非谐振动对绿泥石近红外谱带位置的影响

4.5 小结

第五章绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带位移的控制机制研究

5.1 金属阳离子对绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带的控制作用

5.1.1 金属阳离子置换和绿泥石矿物的分类

5.1.2 金属阳离子置换对近红外谱带的控制作用

5.2 绿泥石矿物晶体结构的变化对近红外光谱吸收谱带的控制作用

5.2.1 金属阳离子对绿泥石矿物晶体结构的影响

5.2.2 温度对绿泥石矿物晶体结构的影响

5.2.3 绿泥石矿物晶体结构压缩性

5.2.4 绿泥石矿物面网间距与晶体结构的关系

5.2.5 绿泥石晶体结构变化对近红外光谱吸收谱带的控制

5.3 小结

第六章绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带位移规律在地质调查中的应用

6.1 工作区概况

6.2 数据处理与信息提取

6.2.1 数据准备

6.2.2 信息提取

6.3 填图结果实地验证工作

6.3.1 忠阳山查证点

6.3.2 万宝沟查证点

6.3.3 小南川查证点

6.3.4 五十八道沟查证点

6.4 小结

结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨敏

导师: 韩玲

关键词: 绿泥石,近红外光谱,谱带归属,类质同象置换,晶体结构

来源: 长安大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 长安大学

基金: 国家自然科学基金青年基金项目“绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带的位移机理与控制机制研究”,项目负责人,项目批准号:41502312,2016年1月-2018年12月

分类号: P57

总页数: 130

文件大小: 6309K

下载量: 171

绿泥石矿物近红外光谱吸收谱带的位移机理与控制机制研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢