8.2.1 示范区地面光谱测量
本次试验的野外地面取样的路线图如图8.1。本次共在110个取样点取样，在每个取样点获取波谱数据，共获得110个波谱数据。
图8.1 地面采样点分布图
试验区出露地层主要为石炭系干墩岩组（C2gd）、梧桐窝子泉组（C2w）的火山岩、碎屑岩建造、第三系（古近系、新近系）桃树源组（E3—N1）的砾岩夹石膏层和第四系（Q）土壤。区内侵入岩较发育，从超基性—基性—中性—酸性岩体均有出露。本次测试的岩性有中酸性火山熔岩、次火山岩、碎屑岩和火山碎屑岩。如：中酸性安山岩、玄武岩、石英岩、凝灰岩等；碎屑岩为主的梧桐窝子组中长石岩屑砂岩、粉砂岩、千枚岩、板岩、辉绿片岩、灰岩等，区内分布主要岩性有辉石岩
（1）岩石光谱特性
黑云变质粘土质含砾砂岩主要是由长石、石英组成，约占75%。样品呈褐色，在可见光波段上490nm附近清晰的 Fe3＋ 吸收特征；1100nm 附近的 Fe2＋ 吸收强、且宽；在短波红外的 1400nm，1900nm附近吸收特征较强，说明样品中含有分子H2 O；在2200nm，2300nm附近的相对较弱的吸收特征，如浅色的Al-OH矿物、绢云母和深色的Mg-OH矿物、绿泥石等所引起。
石英岩主要由石英组成，占90%。在可见光波段上几乎不能识别有铁离子的光谱特征；在短波红外的1400nm，1900nm附近有较强的吸收特征，尤其在1900nm波长处吸收谷深且宽，说明样品中含有较多的分子H2 O；在2200nm，2300nm附近的相对很弱的吸收特征可以推断其含有少量的Al-OH矿物和Mg-OH矿物，如绢云母和绿泥石等。
凝灰岩呈灰绿色。在可见光波段上490nm附近有较弱的Fe3＋吸收特征；1100nm附近有一宽而浅的Fe2＋吸收；在短波红外的1400nm的吸收较弱，在1900nm附近有较强的吸收特征，说明样品中含有分子H2 O；在2300nm附近的相对较弱的特征吸收为Mg-OH矿物，如绿泥石引起。
变质碳质砂岩主要是由长石、石英组成，约占70%。光谱曲线从可见光到短波红外2000 nm反射率一直逐渐上升，由于样品中含有较多的深色的黑云母和碳质的影响，在可见、近红外区间上反射率较低，吸收特征不明显。
粉晶质灰岩主要是由方解石组成，占95% 以上。有铁染，在1100 nm附近有一较宽的吸收深浅的Fe2＋吸收；短波红外的2000nm附近较宽的吸收特征和2350nm附近相对极强的吸收特征，是由方解石中的
碳质砂质绢云板岩主要是由长石、石英组成，约占70%。光谱曲线与变质碳质砂岩类似。
安山玄武岩的光谱曲线从可见光到短波红外1800 nm反射率一直呈上升变化，之后呈下降变化。在可见光波段、近红外上有490nm，890nm 的 Fe3＋吸收特征，后者吸收特征很强；在短波红外的1400nm弱吸收，1900nm附近中等强度的吸收特征，说明样品中含少量H2 O分子。
石榴变质粘土质粉砂岩主要是由长石、石英组成，占60%～70%。光谱曲线从可见光到短波红外2000 nm反射率一直呈上升变化，之后呈下降变化。在可见光波段、近红外上反射率较低，说明样品中可能含有深色的黑云母，在岩矿鉴定中得到证实（黑云母含量为25%）；在短波红外的1900nm，2200nm附近有较弱的吸收特征，两处较强的吸收特征说明样品中含有少量分子H2 O和含有少量浅色的Al-OH矿物，如绢云母等。
绿帘黑云石英片岩主要是由长石、石英组成，约占70%。光谱曲线从可见光到短波红外2000 nm反射率一直呈上升变化，之后呈下降变化。在可见光、近红外波段上反射率较低，说明样品中可能含有深色的黑云母，在岩矿鉴定中也得到证实（黑云母占30%），但在1100nm附近较宽的Fe2＋吸收；在短波红外1400 nm弱吸收、1900 nm和2200 nm中等强度的吸收特征，2300 nm附近较强的吸收特征，这些特征吸收说明样品中含有分子H2 O和含有深色的Mg-OH，如绿帘石矿物等。
绿泥石化片岩的光谱曲线从可见光到短波红外2000 nm反射率总体上呈上升变化，之后呈下降变化。在可见光波段有760nm，890nm Fe3＋的光谱特征，近红外上1100nm处有Fe2＋光谱吸收特征；在短波红外的1400nm处有极弱的OH-吸收，在1900nm附近有很强的H2 O分子吸收特征；在2200nm，2300 nm这两处较强的吸收特征说明样品中含有少量浅色的Al-OH矿物，如绢云母和含有较多的暗色Mg-OH矿物，如绿帘石等。
（2）岩浆岩和火山岩的光谱特性
灰绿色的变质角闪辉石岩主要是由透闪石、角闪石组成，约占70%。光谱曲线从可见光到短波红外2000 nm反射率一直呈上升变化，之后呈下降变化。在可见光波段、近红外上反射率较低，在760nm有较弱的Fe3＋的光谱特征，在1100nm有极宽、极深的Fe2＋光谱；在短波红外的1400nm有一较弱吸收尖锐的OH-特征，1900nm宽而深的吸收表明有H2 O的吸收，2200nm和2450nm有弱的吸收，而在2300 nm附近有较强的吸收特征，说明样品中含少量浅色的Al-OH矿物，如绢云母和含有大量的暗色Mg-OH矿物绿泥石。
闪长岩体在区域内分布较广，在金山金矿、红滩金矿、土墩铜镍矿、黄山和黄山东铜镍矿等地均有样品采集，部分样品有矿化现象，主要为辉长闪长岩和很少量的二长闪长岩。样品还包括在区域上分布的闪长岩和英云闪长岩等。近矿的辉长闪长岩普遍发生程度不同的褐铁矿化、绿泥石化或绢云母化，与其光谱曲线特征相吻合。在黄山东铜镍矿其光谱曲线（图8.2）主要表现出604～1500 nm宽的铁离子吸收带或600～1000 nm宽的铜离子吸收带，部分样品可见较弱的褐铁矿化吸收特征（500 nm和900 nm附近的吸收），波长2000～2500 nm区域反映绿泥石、绢云母及方解石等矿物的混合吸收特征（绢云母2204nm，绿泥石2272nm，方解石2345nm）。黄山铜镍矿（图8.3）处辉长闪长岩特征是褐铁矿化较强（500 nm和900 nm附近的吸收峰明显），绿泥石和绢云母化较轻微（2000～2500 nm）范围吸收特征微弱，绢云母2220nm，绿泥石2267nm（次级）和2344nm；土墩铜镍矿和金山金矿处为绿泥石化闪长岩（图8.4），具有典型的绿泥石光谱特征，可见600～1500 nm宽缓的铁离子吸收谱带，长波范围绿泥石特征吸收谱带位于2277 nm（次级）和2344 nm附近；红滩金矿区出露主要为弱蚀变细晶闪长岩（图8.5），曲线总体比较平直，可见很弱的褐铁矿化特征（500nm，900nm吸收峰）和弱绢云母化（2220nm谱带）、弱绿泥石化谱带（2246nm（次级）和2344nm附近）；区域上分布的英云闪长岩光谱曲线表现轻绢云母化和绿泥石化特征（图8.6），短波范围内可见微弱的宽缓铁离子吸收带，绢云母吸收特征谱带出现在2209 nm或2220 nm附近，绿泥石吸收峰出现在2354 nm附近，吸收特征均比较微弱；闪长岩样品光谱曲线具有绿帘石特征吸收（2256nm（次级）、2354nm附近）。
图8.2 黄山东铜镍矿光谱曲线
图8.3 辉长闪长岩光谱曲线
图8.4 绿泥石化闪长岩光谱曲线
图8.5 弱蚀变细晶闪长岩光谱曲线
图8.6 英云闪长岩光谱曲线
图8.7 辉绿岩光谱曲线
辉绿岩样品采自香山西段铜镍矿和红滩金矿附近等地（图8.7）。香山西段铜镍矿近矿辉绿岩蚀变特征为褐铁矿化、绿泥石化和黝帘石化，褐铁矿化蚀变辉绿岩光谱曲线呈典型褐铁矿化特征，在500 nm和900 nm附近有明显的吸收峰：绿泥石化蚀变辉绿岩光谱曲线存在600～1500 nm宽缓的铁离子吸收谱带。二者都具有绿泥石特征吸收谱带（2267 nm（次级）和2350 nm附近）。红滩金矿等地（未近矿）的辉绿岩样品蚀变相对程度较弱，光谱曲线表现不显著的铁矿物（宽缓吸收带）、绢云母（2220nm附近）和绿泥石等粘土矿物吸收特征。
辉长岩样品采自香山西、红滩和黄山等地（图8.8），香山西段铜镍矿近矿辉长岩蚀变较强，主要为程度不同的褐铁矿化、孔雀石化、绿泥石化及较弱的绢云母化。黄钾铁矾、褐铁矿化蚀变辉长岩光谱曲线呈500nm和900nm附近Fe3＋强吸收峰特征，同时绿泥石特征吸收谱带位于2230nm（次级）和2277 nm附近；孔雀石化辉长岩光谱曲线具有600～1000nm铜离子引起的特征缓吸收，但在2000～2500nm区域的吸收特征不明显；绿泥石化蚀变辉长岩光谱曲线整体呈绿泥石吸收特征，存在600～1500nm 的宽缓铁吸收，绿泥石特征吸收谱带多位于2267nm（次级）和2344nm附近，不同样品略有偏移。
图8.8 辉长岩光谱曲线
图8.9 花岗岩类光谱曲线
花岗岩、花岗斑岩和花岗细晶岩，普遍发生不同程度的褐铁矿化及次生绢云母化、绿泥石化蚀变（图8.9），褐铁矿化吸收特征在900 nm附近的吸收较弱，曲线平缓，700 nm附近的反射峰对称性较差。绢云母吸收谱带位于2209 nm或2220 nm附近，绿泥石特征吸收谱带多位于2267 nm（次级）和2349 nm附近，不同样品有不同程度的偏移。
橄榄岩和辉石岩等基性、超基性岩浆岩部分样品光谱曲线无明显吸收特征（图8.10），曲线比较平直，部分样品表现不同程度的蚀变，蚀变矿物主要为绿泥石、透闪石、黝帘石及蛇纹石等。绿泥石化比较普遍，曲线在600～1500 nm存在宽缓铁吸收谱带，在2267 nm和2328 nm附近存在绿泥石特征吸收谱带。蛇纹石化橄榄岩光谱曲线形态和2325 nm附近吸收特征为叶蛇纹石的典型特征。
石英脉样品（部分为含金石英脉）主要采自金山金矿和红滩金矿，从镜下和光谱曲线分析，蚀变类型包括褐铁矿化（图8.11）、绢云母化和绿泥石化（图8.12）。多数样品曲线整体形态具绿泥石吸收特征，600～1500 nm存在铁离子宽缓铁吸收，出现2350 nm附近绿泥石和2220 nm附近绢云母特征吸收谱带。
图8.10 基性、超基性岩浆岩光谱曲线
图8.11 褐铁矿化光谱曲线
图8.12 绢云母化和绿泥石化光谱曲线
图8.13 硅化灰岩光谱曲线
碳酸盐岩样品经镜下鉴定主要为钙板岩、粉晶灰岩和硅化灰岩，光谱曲线均存在2345 nm附近的方解石特征吸收谱带。硅化灰岩具褐铁矿化特征（图8.13），在500 nm和900 nm附近存在较强的吸收峰，钙板岩和粉晶灰岩的光谱曲线较为平直（图8.14），在蓝光波段存在铁离子引起的吸收特征，反射率较低。
图8.14 钙板岩和粉晶灰岩光谱曲线
8.2.2 示范区地面光谱分析
8.2.2.1 对比分析新鲜岩石与风化面岩石光谱特征
笔者在试验区采集的110块岩石样品，分别测试了其风化表面与新鲜表面的光谱，研究了风化作用对岩石光谱的影响。风化作用分为物理风化和化学风化。物理风化作用使岩石裂开或崩解，形成大小不等的碎块，其物质组分并不发生很大的变化。化学风化作用通过溶解、氧化、水化、水解及碳酸化等作用，使岩石物理结构、物质和化学组分等都发生变化，往往在岩石表面形成与原岩石物质和化学组分有一定差异的覆盖层，一般仅有几微米到几毫米厚，但它们基本控制了地表岩石光谱行为。一般来说，岩石风化表层的Fe2 O3 ，Al2 O3 等化学组分均比原岩有所增加，CaO，Na2 O，K2 O，MgO等则显著减少，SiO2 含量一般也比原岩少，常形成一些表生矿物，如高岭石等粘土矿物。由于粘土矿物的增加，风化岩石一般颜色变浅，若原岩富含铁质矿物，则其颜色多呈红色、砖红色或黄褐色，岩石变得疏松。
现以八种岩石样品的风化面和新鲜面光谱为例，讨论风化作用对岩石光谱产生的影响。绿帘石化二长岩新鲜表面为肉红色，风化面为灰白色。风化面较新鲜面的反射率要低，并且出现Fe2 O3 的宽缓谱带，使反射率自1400 nm向短波长方向产生较大幅度的下降。在2200 nm和2300 nm附近出现了由表生粘土矿物产生强烈的轻基吸收谱带（图8.15（a））。
花岗片麻岩风化面与新鲜面光谱的波形特征及吸收谱带特征基本相近，风化表面整体反射率较新鲜面明显要低（图8.15（b））。
白云岩新鲜面光谱在2300 nm附近的碳酸根强吸收特征，在风化面光谱中强度明显变弱，但在2000nm～2200nm之间却出现一些弱的碳酸根和轻基吸收带（图8.15（c）），表明风化作用产生的粘土矿物是影响白云岩碳酸根光谱特征的最主要原因。
石墨黑云斜长片麻岩风化作用较弱，风化光谱反射率整体下降，对比度降低，吸收谱带明显变弱，是含有较多不透明矿物所致（图8.15（d））。
图8.15（e）为风化程度不同的黑云母斜长片麻岩的光谱，风化程度的加强使轻基谱带强度增大，尤其是1900 nm附近水分子谱带为最，表明水分子含量随着风化程度的加深而增多。
风化作用的加强引起铁离子谱带的增强，并且由于岩石表面所含水分子和轻基的排布更为无序而引起的轻基吸收谱带的宽化。
褐铁矿化钾长岩样品的风化程度较弱，风化面光谱反射率较新鲜面要高，铁离子吸收谱带更强，其余吸收谱带特征变化不明显（图8.15（f）），说明风化程度较弱，表生粘土矿物较少生成。
图8.15 新鲜面和风化面岩石反射光谱
a—绿帘石化二长岩；b—花岗片麻岩；c—白云岩；d—含石墨黑云斜长片麻岩；e—褐铁矿化黑云母斜长片麻岩；f—褐铁矿化钾长岩；g—黑云母斜长片麻岩；h—角闪黑云斜长片麻岩
角闪黑云斜长片麻岩风化面Fe3＋光谱的影响更为强烈，已掩盖了Fe2＋在1100nm附近的吸收特征，而形成一宽缓的吸收谷，并且水分子的吸收特征也更加明显。
风化引起的岩石光谱变异，不同岩类表现形式不同，加上风化表面可能含有外来物质，更增加了其复杂性。一般说来，随着风化化学作用的加强，原岩中Fe2＋氧化为Fe3＋，使大多数岩石的铁离子谱带位置向短波长方向略有漂移，强度也会有所加强。而阴离子基团产生的谱带位置、波形和偏倚性都较为稳定，轻基和水的谱带强度大部分得到加强。由于风化作用可能产生的新的粘土矿物，风化面光谱中有时会出现新的谱带。物理风化占主导作用的岩石1930 nm附近水分子的谱带往往变强。深色岩石风化后往往生成高岭石等浅色矿物使表面颜色变浅，反射率增高。富含 Al2 O3 ， CaO， Na2 O， K2 O， SiO2 等的颜色较浅的岩石，风化后由于铁、镁矿物的相对富集和表面覆盖的岩石漆层的影响，颜色变深，光谱反射率降低，Fe3＋，Mg-OH和结合水分子的谱带可能出现或加强，
8.2.2.2 酸性火成岩
从酸性→中性→基性→超基性岩的逐步过渡，1400nm，1900nm的OH-和水谱带的强度迅速下降。这些谱带可以作为酸性岩的重要鉴定标志。标示着在低温（600～800℃）的酸性岩中必定有多种形式的水存在，因为低温酸性岩是由富含水蒸气的岩浆结晶形成的。这些水的存在也常常使长石发生晚期蚀变形成绢云母，同时产生轻基谱带。
8.2.2.3 中性火山岩
中性火山岩的镁铁质副矿物虽然有可能产生Fe2＋和Fe3＋的光谱特征，但是在大多数情况下呈现的最清晰的谱带仍然是蚀变产物的水谱带和轻基谱带。对火成岩来说，粗斑状的侵入岩所产生的谱带，总是比它们的喷出岩更为显著。此类岩石的光谱可分为两类：曲线平坦而无光谱特征的和反射率从短波到长波逐渐增加的。后一种情况的光谱，在700～1000 nm 之间往往出现铁的特征谱带，在1400 nm和1900 nm附近及2200～2500 nm之间，常伴有一些轮廓模糊的谱带，比蚀变的酸性岩谱带还要窄一些。由于存在大量的不透明的磁铁矿及角闪石和黑云母等暗色矿物，故所有中性岩的光谱反射强度偏低。
8.2.2.4 基性或超基性岩
除了苏长岩以外，基性岩光谱中通常仅见的光谱特征是由铁所产生的1000 nm附近的谱带，这些谱带一般宽而弱。除非发生蚀变或风化，否则一般不出现1400nm，1900nm的轻基谱带。除了斜长辉长岩，基性岩的反射率都较低。这是因为存在大量的暗色镁铁矿物，特别是大量磁铁矿和其他不透明矿物。与基性岩相比超基性岩的光谱总在1000nm附近出现一个轮廓十分清晰的Fe2＋谱带，并且在1800nm附近常出现谱带，它是高度无序的八面体位上Fe2＋的典型特征。Adams（1968），Adams和McCord（1972）曾经利用这两个特征谱带（1000，1800nm）位置之间的关系作为辉石类斜方辉石类的镁-钙含量的鉴定依据。
基性或超基性岩的光谱在可见光和近红外区Fe2＋，Fe3＋，Cu2＋，Mn2＋等离子的跃迁谱带的强度远远大于短波红外上的OH-，H2O，Al-OH，Mg-OH基团的振动谱带。Ross等人（1969）根据经验发现：用于鉴别岩石类型的最佳有效的波长比值是500nm/2300～2500nm，2300nm/1450nm 和2350/1950 nm。这些比值与轻基和水谱带的相关性是十分明显的。遗憾的是，对遥感应用来说，1400nm，1900nm附近也正好是大气干扰最严重的谱段。
8.2.2.5 沉积岩的光谱
沉积岩光谱中的光谱特征一般都很清晰，除非由于有不透明的碳质物质而被掩盖之外。主要是碳酸根的谱带，风化产物粘土矿物的谱带，Fe2＋和Fe3＋氧化物的谱带。位于2350nm附近的谱带是反对称的CO伸缩振动第二倍频v3及CO的对称伸缩振动的合频v1 ，以及v2的面外弯曲振动的第一倍频产生的，后者的谱带最强，其最低值位于2500～2600nm，伴随出现较弱的谱带在1900nm，2000nm，2200nm附近。这些弱谱带常被1400nm，2200nm 或2300nm 附近的粘土的 OH 谱带一级1400nm，1900nm附近的水谱带所淹没。Fe2＋的谱带出现在1000nm附近，而Fe3＋氧化物则是光谱强度向蓝光方向下降，并在500 nm和850 nm附近出现可识别的大谱带。
8.2.2.6 变质岩的光谱
通过分析测试大理岩、石英岩、片麻岩、板岩和片岩等变质岩的光谱，发现在400～2500 nm变质岩的清晰光谱特征主要是碳酸盐、轻基、水（液态包体水）和硼酸盐的振动倍频和合频引起的，或者由铁、锰或铬的电子跃迁过程引起的。