PHƯƠNG PHÁP CHỈ số và ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN KHOÁNG CHẤT sét, OXIT sắt

PHƯƠNG PHÁP CHỈ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN KHOÁNGCHẤT SÉT, OXIT SẮT 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Phổ phản xạ của khoáng vật Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu đượ

PHƯƠNG PHÁP CHỈ SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN KHOÁNG

CHẤT SÉT, OXIT SẮT 2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Phổ phản xạ của khoáng vật

Phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt trái đất Thông qua thông tin về phổ phản xạ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các

phương pháp phân tích, giải đoán ảnh trong viễn thám, đặc biệt là xử lý số

Hiểu lý thuyết về phản xạ năng lượng phổ điện từ của các đối tượng địa chất, khoáng vật cho phép ta giải đoán được chúng trên dữ liệu viễn thám Thông tin về một khoáng vật trong tự nhiên có thể thu được bằng việc giải đoán gián tiếp đặc tính phổ và cấu trúc ảnh của nó trên ảnh viễn thám trong các giải phổ khác nhau Mỗi đối tượng trên mặt đất có đường cong phổ khác nhau, điều đó cho phép

ta giải đoán các đối tượng này theo đường cong phổ của chúng Các trạng thái chuyển đổi năng lượng phổ điện từ và phổ của các hợp phần ion trong các dải phổ được xem xét

2.1.2 Đường cong phổ và dấu hiệu phổ

Trong viễn thám, đường cong phổ thường được đặc trưng bởi các dấu hiệu sau:

Hấp thụ chọn lọc: là hiện tượng phổ điện từ tới vật và một phần của nó bị hấp thụ.

Hiện tượng này xảy ra với vùng phổ phản xạ năng lượng mặt trời (sóng nhìn thấy, sóng hồng ngoại, và hồng ngoại sóng ngắn) Năng lượng phản xạ bị hấp thụ và vì vậy bộ cảm nhận giá trị của năng lượng phản xạ /phát xạ yếu hơn so với các dải sóng khác

Phản xạ chọn lọc: trong trường hợp này, phổ thu được trên bộ cảm là năng lượng

phản xạ năng lượng đến từ nguồn mặt trời tới vật và các giá trị phổ cao có thể dẫn đến phân cách chùm sóng đơn

Phát xạ chọn lọc cao và thấp: nhiều vật có khả năng đánh dấu bởi phát xạ cao hoặc

thấp ở vài dải sóng nhất định

Dấu hiệu phổ là đặc tính hoặc nhóm đặc tính riêng của đường cong phổ cho phép giải đoán chúng trên một vật xác định

2.1.3 Những quá trình nguyên- phân tử tác động tới đặc tính phổ

a Những dạng chuyển đổi trạng thái năng lượng

Trạng thái năng lượng của một vật là một hàm số tương quan giữa vị trí tương đối

và trạng thái của các phần tử cấu tạo nên vật tại thời điểm đó Tổng năng lượng của hệ nguyên - phân tử hợp thành từ 4 trạng thái năng lượng khác nhau: chuyển đổi, quay, dao động, điện tử Để chuyển đổi từ trạng thái năng lượng này sang

trạng thái năng lượng khác cần có một năng lượng nhất định Sự chuyển đổi năng lượng này cũng khác nhau trên các phần của phổ điện từ khác nhau Các mức năng lượng có thể kể ra là:

- Mức năng lượng chuyển đổi

- Mức năng lượng quay: là năng lượng động học do quay của các phân tử.

- Mức năng lượng dao động: liên quan tới sự chuyển động của các nguyên tử

tương đối với nhau Mức năng lượng này xảy ra tại dải phổ hồng ngoại nhiệt và hồng ngoại sóng ngắn Sự thay đổi mức năng lượng giao động của âm bội và tổ hợp xảy ra bởi phát xạ phổ điện từ ở dải sóng hồng ngoại sóng ngắn

- Mức năng lượng điện tử: liên quan tới cấu hình các điện tử xung quanh hạt

nhân hoặc ở liên kết Sự thay đổi mức năng lượng điện tử đòi hỏi một lượng năng lượng lớn Lượng năng lượng này cùng với sự liên kết của nó với sự thay đổi mức năng lượng dao động gây ra bởi các photon trên dải sóng nhìn thấy, sóng hồng ngoại gần, sóng cực tím và tia X Photons của tia Gamma gây ra liên quan tới sự chuyển đổi điện tích

b Các quá trình điện tử:

Quá trình này xảy ra chủ yếu trên dài sóng nhìn thấy và hồng ngoại gần Các quá trình xảy ra này có thể giải thích theo quan niệm sau:

- Hiệu ứng chuyển đổi điện tích

Trong một số chất, năng lượng tới có thể bị hấp thụ, đạt đến mức năng lượng điện

tử và chúng dịch chuyển giữa các ion lân cận nhưng không hoàn toàn ở trạng thái

di động Điều này gọi là hiệu ứng chuyển đổi điện tích và thường xảy ra với FeO (một oxit có mặt rộng rãi trong các khoáng vật và đá) Khoảng chuyển đổi điện tích này nằm chủ yếu trên dải phổ từ cực tím đến giáp ranh phổ nhìn thấy Trên hình

2.1a, ta thấy đường cong phổ phản xạ của một khoáng vật chứa FeO, tại khoảng giải sóng ngắn bị hấp thụ nên có giá trị rất thấp

Hình 2.1 Ví dụ về hấp thụ kênh phổ do quá trình điện tử a, đường cong

phản xạ phổ của Jarosite, Hematit, Geothit bị hấp thu mạnh ở dải sóng

cực tím và xanh lam do hiệu ứng chuyển đổi điện tích b, đường cong

phản xạ của các khoáng vật Stibnit, Cinnabar, Realgar và Sulphur bị

hấp thụ tại dải sóng cực tím- nhìn thấy rất rõ rệt (Hunt, 1980).

- Hiệu ứng hấp thụ các kênh phổ dẫn điện:

Trong một vài chất bán dẫn như Sulphite, hầu như tất cả các photons năng lượng lớn hơn ngưỡng giá trị bị hấp thụ, nhảy từ mức năng lượng điện tử lên mức năng lượng kênh dẫn Hình 2.1b, thể hiện rõ điều này, đường cong phổ bị hấp thụ dưới ảnh hưởng của hiệu ứng này

- Chuyển tiếp điện tử trong kim loại chuyển tiếp:

Đặc tính này thường xảy ra với sắt tại dải sóng 0.87µm, 0.35µm và phụ kênh phổ 0.5µm Các ion Sắt có các kênh phổ 1µm, 1-2µm và 0.55-0.57µm Kim loại Cu(0.8 µm), Ni(1.25 µm, 0.4 µm), Cr(0.55 µm, 0.45 µm, 0.35 µm)

- Hiệu ứng trường tinh thể

Hiệu ứng trường tinh thể là hiện tượng mà mức năng lượng đối với một Ion sẽ khác nhau đối với mỗi trường tinh thể Đối với các nguyên tố chuyển tiếp như Ni,

Gr, Cu, Co, Mn,… là dạng 3 lớp điện tử định ra các mức năng lượng Các lớp điện

tử này không được bảo vệ Vì vậy mức năng lượng bị ảnh hưởng bởi các trường tinh thể, và các điện tử có thể lấy giá trị năng lượng mới phụ thuộc trường tinh thể Trong trường hợp này, khi ở mức năng lượng mới, có sự chuyển tiếp giữa các mức năng lượng Kết quả của sự hấp thụ phổ được quyết định bởi hóa trị của các ion (

Fe2+ ¿, Fe ¿) và số tọa độ, bởi vị trí đối xứng và mức độ các điểm bị biến dị Ví dụ về các oxit sắt khi ở các trường tinh thể khác nhau bị hấp thụ ở các dải phổ khác nhau được Hunt đưa ra năm 1980 thể hiện trong hình 2.2

Hình 2.2 Hiệu ứng trường tinh thể (Hunt, 1980)

c Các quá trình giao động

Đối với đại đa số vật chất trên trái đất, các quá trinh dao động nguyên-phân

tử thường xảy ra ở dải phổ hồng ngoại sóng ngắn và hồng ngoại nhiệt Hiện tượng này gây ra đường cong phổ bị giãn hoặc bị uốn cong Có 3 đoạn giao động: Cơ bản( ở trong dải hồng ngoại trung, >3.5 µm),âm bội và tổ hợp (ở trong dải sóng 1-3 µm) Các nhóm khoáng vật Silicat, carbonat, Hydroxit, Phosphat và sulphat, nitrat

có hiện tượng phổ do quá trình này

2.1.4 Phổ của các hợp phần Ion trong các dải phổ điện từ khác nhau và phổ phản xạ của một số khoáng vật

Sau đây sẽ xét đường cong phổ phản xạ của các hợp phần ion trong các dải phổ khác nhau:

- Dải phổ nhìn thấy và hồng ngoại gần (0.4-1µm)

Trong dải sóng này, chủ yếu là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Mn, Cu, Ni, Cr đặc trưng bởi sự thay đổi mức năng lượng điện tử Các nguyên tố tạo đá như Si, Al, và các nhóm anion như oxit, hydroxit, carbonat, phosphat thiếu phổ trên dải sóng này

Ion oxit Feo bị hấp thụ phổ ở dải sóng ngắn bởi hiệu ứng điện tích Các ion chứa sắt bị hấp thụ ở phổ sóng 0.4µm, 0.5µm, 0.7µm, 0.87µm (oxit Fe), 1µm

(amphibol, olivin); 0,7 µm, 1µm, 1,8 µm(pyroxen)

- Dải phổ hồng ngoại sóng ngắn(SWIR, 1-3µm):

Trong dải phổ này đặc trưng bởi các anion của các khoáng vật như

hydroxit, carbonat, phosphat, và đỉnh của đường cong phổ bị dịch chuyển do hiệu ứng trường tinh thể

- Các ion hydroxit:

Các hợp phần này thường có ở khoáng vật Sét, chỉ ra kênh hấp thụ cơ sở giao động trên dải 2.74 - 2.77µm do hiệu ứng trường tinh thể và hiệu ứng âm bội tại dải phổ 1.44µm Các ion hydroxit trong các hợp phần với Al, Mg, thể hiện hấp thụ trên dải phổ 2.1-2.4µm ( hình 2.3a)

Hình 2.3 Phổ phản xạ trên dải hồng ngoại sóng ngắn a, phổ phản

xạ của khoáng vật sét (đường cong phổ có dịch chuyển, theo Rowan, 1983) b, phổ khoáng vật chứa nước (Hunt, 1980).c , phổ phản xạ của

các khoáng vật cacbonat.

- Các phân tử nước:

Phân tử nước bị hấp thụ năng lượng giao động ở dải phổ 3.1µm, 6.8 µm, 2.092 µm,

và bị hấp thụ phổ kiểu tổ hợp và âm bội trên dải phổ 1.9 µm và 1.4 µm Hình 2.3b cho thấy phổ hấp thụ của 2 khoáng vật chứa nước là gypsum và montimorillonite

- Cacbonat:

Các khoáng vật cacbonat như canxit, magnezit, dolomit, siderit bị hấp thụ phổ kiểu

tổ hợp và âm bội tại dải sóng 1.9 µm, 2.0 µm, 2.16 µm, 2.35 µm và 2.55µm và hấp thụ do hiệu ứng âm bội chính trên dải phổ hồng ngoại trung 7µm, 13-15 µm, 11-12

µm và gần 9 µm Hình 2.3c thể hiện phổ hấp thụ của các khoáng vật thuộc nhóm này

- Hồng ngoại nhiệt(TIR, >3-3.5 µm):

Trong dải phổ này, cửa sổ tốt nhất để nghiên cứu một số loại khoáng vật trong viễn thám là carbonat, silicat, nitrat, nitrit,hydroxit có phổ 8-14 µm

Hình 2.4: Phổ phản xạ của oxit sắt

2.1.5 Phổ của khoáng vật:

Khoáng vật hợp thành từ các anion và cation Phổ của chúng phụ thuộc vào các hiệu ứng ion, cation, anion hoặc trường tinh thể Sau đây, ta sẽ xem xét một số khoáng vật điển hình:

- Geothite (oxit sắt): Oxit sắt phẩn xạ mạnh ở bước sóng đỏ và hấp thụ mạnh

ở bước sóng Blue (hình 2.4)

- Thạch anh: bị hấp thụ trên dải hồng ngoại trung

- Pyroxen: bị hấp thụ do có chứa Ion Sắt trên dải phổ nhìn thấy, hồng ngoại gần và hồng ngoại trung Sự hấp thụ còn ảnh hưởng do hiệu ứng trường tinh thể

- Khoáng sản sét: kênh phổ hấp thụ trên dải sóng hồng ngoại gần do chứa nước, ion hydroxyl và AL-OH, Mg-OH trên dải phổ hồng ngoại sóng ngắn và do chứa silicate trên dải phổ hồng ngoại trung

- Cacbonat( canxit, magnesit, siderit, rhodocrosit), ion CO3−2 bị hấp thụ trên dải phổ SWIR và MIR Đối với siderit Fe2+¿¿ chuyển tiếp điện tử trên dải VNIR, rhodocrosite chứa Mn2 +¿¿ trên phổ bị hấp thụ trên sóng VNIR

- Khoáng vật Sét chứa AL-OH ( phổ 2,2µm), Mg-OH( phổ 2,3µm) và chứa phân tử nước ở dải sóng 1,4µm và 0.9µm Hình 2.5 chỉ ra phổ của một vài khoáng vật sét trong phòng thí nghiệm trên dải sóng hồng ngoại sóng ngắn

Hình 2.5 Phổ của một vài khoáng vật sét trong phòng thí nghiệm trên dải sóng hồng ngoại giữa (SWIR)

2.2 Chỉ số khoáng sản sét, khoáng sản Oxit sắt:

Khoáng vật sét bao gồm các loại khoáng vật phylloosilicat giàu các oxit và hidroxit của sillic và nhôm cũng như một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét Khoáng vật sét có thể giữ ẩm cho đất và các yếu tố

dinh dưỡng một cách hiệu quả Do đó, một lượng đất sét cụ thể trong đất là rất cần thiết cho các loại thực vật và sản xuất nông nghiệp

Không chỉ đất sét, mà sắt cũng là một nhân tố quan trọng được tìm thấy trong các khoáng chất augite, biotite, hematite, hornblende, geothite, lepidocrocite, limonite, magnetite, and olivine Sắt rất quan trọng đối với sức khỏe con người và thực vật Sắt có vai trò quan trọng trong sự phát triển chất diệp lục và sự tăng trưởng của cây trồng Thiếu sắt gây ra việc úa lá được biểu hiện bởi những chiếc lá vàng úa và quả xấu ở thực vật Xác định sự phân bố không gian của hợp chất khoáng sản rất quan trọng đối với một số mô hình nghiên cứu môi trường và sinh thái Bằng việc Sử dụng các công cụ GIS và viễn thám nhiều ứng dụng trong thăm dò sự thay đổi khoáng sản oxit sắt, khoáng sản sét, đá biến chất, khoáng sản đá tràng thạch, đá hoa cương và các khoáng sản kim loại màu đã được thực hiên thành công

2.2.1 Phương pháp tỷ số ảnh

Để tạo ảnh chỉ số, ta thường sử dụng phép chia nhằm loại trừ ảnh hưởng của bóng râm, ảnh hưởng của địa hình, và tách biệt một số đặc tính các yếu tố địa chất, nhấn mạnh các đối tượng cần quan tâm như vùng phủ thực vật, hay các khoáng sản

lộ thiên,… Bằng cách chọn hai kênh thích hợp trong ảnh đa phổ, chia giá trị độ sáng tương ứng từng pixel của hai kênh ảnh gốc, sẽ nhận được giá trị độ sáng pixel của ảnh mới, gọi là ảnh tỷ số

BVij = BV ijK

Trong đó: BVijK - giá trị độ sáng pixel (i, j) kênh K ;

BVijL - giá trị độ sáng pixel (i, j) kênh L Thực tế, việc quyết định chọn hai kênh phổ thích hợp trong ảnh đa phổ để tạo ảnh

tỷ số là một vấn đề không hề đơn giản, phải có cơ sở khoa học và những nghiên cứu cụ thể, và cũng cần cần chú ý trường hợp BVijL = 0

2.2.2 Chỉ số khoáng sản sét, oxit sắt

Chỉ số khoáng sản là một phương pháp được sử dụng nhiều năm trong viễn thám,

để hiển thị sự thay đổi giá trị phổ một cách có hiệu quả nhất Để xác định chỉ số khoáng sản ta dựa vào các đồ thị phản xạ phổ của các khoáng vật Đây là phương pháp làm nổi bật các đối tượng cụ thể dựa trên quang phổ hay các nguyên tắc vật

lý

Chỉ số khoáng sản được sử dụng để giám sát sự phân bố khoáng vật ở khu vực nghiên cứu Để nghiên cứu chỉ số khoáng sản, ta sử dụng các kênh phổ thể hiện rõ đặc tính phản xạ phổ của oxit sắt, khoáng sản sét Các kênh phổ sử dụng để nghiên cứu chỉ số khoáng sản được thể hiện trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Các kênh phổ sử dụng trong nghiên cứu chỉ số khoáng sản

Oxit sắt là một trong những khoáng chất có nhiều trong môi trường tự nhiên Theo

đồ thị phản xạ phổ của oxit sắt được thể hiện trong hình 2.5, ta thấy rằng các

khoáng sản oxit sắt phản xạ mạnh ở bước sóng 0.63 - 0.69 µm (kênh3) và bị hấp thụ mạnh nhất ở bước sóng 0.4 – 0.52 µm (kênh 1) nên chúng thường xuất hiện ở màu đỏ, hoặc màu nâu Do vậy để làm nổi bật oxit sắt trên ảnh vệ tinh thường sử dụng tỷ số giữa kênh 3 và kênh 1, hay còn được gọi là chỉ số oxit sắt

Các khoáng sản sét đặc trưng cho sự thay đổi thủy nhiệt trong các loại đá và rất hữu ích cho việc thăm dò khoáng sản trong viễn thám Theo đồ thị phản xạ phổ của khoáng sản sét thể hiện trong hình 2.6, ta thấy các khoáng sản sét phản xạ rất mạnh

ở bước sóng 1.55 – 1.75µm (kênh 5) và bị hấp thụ mạnh rất mạnh ở bước sóng 2.05- 2.35 (kênh 7) Vì vậy, khi nghiên cứu khoáng sản sét, để làm nổi bật nó ta sử dụng bởi tỷ lệ giữa hai kênh phổ là kênh 5 và kênh 7, hay còn gọi là chỉ số khoáng sản sét

Hình 2.6 Đồ thị phản xạ phổ của khoáng sản sét

(McCord và Others, 1998)

2.3 Phương pháp nghiên cứu khả năng phân bố khoáng sản sét, khoáng sản oxit sắt dựa trên chỉ số khoáng sản

Phương pháp nghiên cứu dựa trên chỉ số khoáng sản của các khoáng sản sét và oxit sắt Tất cả các chỉ số này được tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat ETM+ (Độ phân giải 30m) được chụp vào ngày 08/11/2007 và các thuật toán liên quan được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Thuật toán xác định chỉ số khoáng sản sét và oxit sắt

Trong bài nghiên cứu này, tôi sử dụng phần mềm ERDAS-Imagine để tính toán các chỉ số khoáng sản Có thể sự dụng công cụ “Indices” được xây dựng sẵn trong ERDAS để tính các tỷ số khoáng sản Hoặc sử dụng công cụ “Modeler”, một công

cụ cung cấp cho chúng ta các toán tử cần thiết của một biểu thức để mình tự thực hiện các tính toán Để thuận lợi cho việc phân loại, đánh giá, giải thích, chúng ta sẽ đưa miền giá trị của tỷ số khoáng sản về khoảng 0-255

Để làm được điều này, ta sử dụng phương pháp kéo giãn tuyến tính Đây là phương

pháp đưa miền giá trị của ảnh đầu vào về miền giá trị L dưa trên phương trình:

Y = X −X min

X max−X min∗L (2.2) Trong đó, X là giá trị điểm ảnh đầu vào, X max là giá trị điểm ảnh lớn nhất của ảnh

đầu vào, X min là giá trị điểm ảnh nhỏ nhất của ảnh đầu vào, Y là giá trị điểm ảnh

của ảnh kết quả L là miền giá trị của điểm ảnh (ở đây, ta chọn L= 255)

Hình 2.7a Ảnh gốc và ảnh chỉ số khoáng sản sét